EP3830511B1 - Method for exchanging heat - Google Patents
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Definitions
- a heat exchanger for such a process comprises series of passages for the flow of at least one refrigerant fluid to be put into heat exchange relationship with a heat-producing fluid, the exchanger comprising at least one passage configured for the flow said refrigerant and at least one other refrigerant.
- the technology commonly used for an exchanger is that of aluminum exchangers with brazed plates and fins, which make it possible to obtain very compact devices offering a large exchange surface.
- exchangers comprise a stack of plates which extend along two dimensions, length and width, thus constituting a stack of vaporization passages and condensation passages, some intended for example to vaporize refrigerant liquid and others to condense a gas calorigen. Note that heat exchanges between fluids can take place with or without phase change.
- the passages are provided with fluid inlet and outlet openings.
- the inlets and outlets placed one above the other following the stacking direction of the passages of the exchanger are united respectively in inlet and outlet collectors of generally semi-tubular shape, through which the exchange is carried out. distribution and evacuation of fluids.
- heat-producing and refrigerant fluids can circulate in the exchanger. These fluids form distinct currents or flow rates which are introduced and evacuated from the exchanger by groups of inlets and outlets dedicated to a type of fluid.
- the inlets and outlets of the different refrigerants are arranged successively, along the length of the exchanger, in order of increasing temperature starting from the cold end of the exchanger, that is to say the entry point into the exchanger where a fluid is introduced at the temperature the lowest of all the exchanger temperatures.
- the other refrigerant when the outlet temperature of a refrigerant is higher than the inlet temperature of another refrigerant, the other refrigerant must enter the exchanger, following the length of the exchanger, at a position closer to the cold end than the refrigerant outlet.
- the pinch analysis method is used to plan the way in which the fluids circulate in a heat exchange relationship in the exchanger and maximize the energy efficiency of the installation.
- pinch refers to the minimum difference between the temperature of the refrigerants, that is to say the fluids which heat up in the exchanger, and the temperature of the calorifying fluids, that is to say the fluids which cool in the exchanger, at a given point of the exchanger.
- the difference between two composite curves of a Heat exchanged - Temperature diagram, as illustrated by the Figure 3B(a) one being associated with the flows to be heated, the other to the flows to be cooled. As long as this minimum deviation is positive, there is theoretically a way to reduce energy consumption.
- At least two different types of refrigerant passages are provided, a type of passage dedicated to the circulation of a refrigerant and at least one other type of passage dedicated to the circulation of the other refrigerant. These different type passages are not formed between the same pair of adjacent plates of the exchanger.
- each type of passage presents a significant portion in which no fluid circulates, that is to say an inactive zone in terms of exchange with the heat-producing fluid.
- the present invention aims to solve all or part of the problems mentioned above, in particular by proposing a process using a heat exchanger of greater compactness and whose thermal efficiency and mechanical strength are improved.
- the second temperature is at least 1°C lower than the first temperature.
- the present invention can be applied to a heat exchanger which vaporizes at least two partial streams of a fluid with two liquid-gas phases as refrigerants, in particular at least two partial streams of a mixture with several constituents, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one circulating fluid, for example natural gas.
- the invention can be applied to a process for cooling or even liquefying a mixture of hydrocarbons such as natural gas.
- the liquefaction process is implemented in a liquefied natural gas (LNG) production process.
- LNG liquefied natural gas
- natural gas refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane. This includes a “raw” composition (prior to any treatment or washing), as well as any composition that has been partially, substantially or entirely treated for the reduction and/or elimination of one or more compounds, including, but not limited to limit, sulfur, carbon dioxide, water, mercury and certain heavy and aromatic hydrocarbons.
- hydrocarbon stream resulting from step g) can be at least partly liquefied.
- the hydrocarbon stream cooled and/or at least partially liquefied in step g) is introduced into another exchanger into which a second refrigerant stream is introduced.
- the second refrigerant stream leaving the other exchanger is expanded then reintroduced into said other exchanger to be vaporized there by refrigerating the hydrocarbon stream and the second refrigerant stream, so that the hydrocarbon stream leaves liquefied and under -cooled from the other exchanger.
- the refrigerant produced in step d) has a first pressure and the first other refrigerant produced in step d) has a second pressure, the second pressure being greater than the first pressure.
- FIG. 1 illustrates passages 10a, 10b of a heat exchanger according to the prior art comprising several plates 2 which extend along two dimensions, length and width, respectively in a longitudinal direction z and a lateral direction y orthogonal to z and parallel to the plates 2.
- the exchanger comprises distribution members 51, 61, 52, 62 which extend from and towards the entrances and exits of the passages.
- These organs for example waves or distribution channels, are configured to direct and ensure uniform distribution and recovery of fluids over the entire width of the passages.
- the refrigerant F1 expanded at a given pressure level enters through the inlet 31 located at the cold end of the exchanger and leaves through the outlet 41 at a temperature higher than the entry temperature through the inlet. 32 of the first other refrigerant expanded to another pressure level.
- the inlet of the other refrigerant is conventionally located, in the longitudinal direction z, at a position closer to the cold end of the exchanger than is the outlet of the refrigerant at lower pressure.
- the present invention aims to reduce the longitudinal extent of these inactive zones, or even to eliminate them completely by proposing to share longitudinally at least one passage formed between two plates 2 of the exchanger and to circulate different refrigerant fluids there.
- FIG. 3A is a schematic sectional view, in a plane parallel to that of the Figure 1 , of a passage of an interchange.
- the number of refrigerant fluids of different types is limited to 2 for the sake of simplification, it being noted that a greater number of types of fluid could circulate in such a passage according to the same principle.
- At least one passage 10 of the first series of refrigerant passages comprises at least one first other inlet 32 and at least one first other outlet 42 for another refrigerant fluid F2.
- Said first other inlet and outlet 32, 42 being arranged so that said passage 10 of the first series is divided, in the longitudinal direction z, into at least one portion 100 for the flow of the refrigerant F1 and a first other portion 200 for the flow of the first other refrigerant F2.
- a calorigenic passage 11 of the second series is thus in contact with a refrigerant passage 10 of the first series, which promotes heat exchange and drastically reduces the thermal and mechanical stresses exerted on the plates and the exchanger inlet/outlet collectors.
- the dimensioning of the exchanger can be reduced, thus reducing the cost of the exchanger and the cold box in which it is integrated. Reducing inactive zones within the exchanger also increases its mechanical strength.
- the inventors of the present invention have demonstrated that by taking into account the temperature overlaps from the design phase of the process, it is possible to circulate the refrigerants in the same passage, even if the temperature of outlet of the first fluid is greater than that of entry of the second fluid. To do this, it is necessary to simulate the exchanger, not in a single section with two refrigerating fluids arriving at different temperatures, as is the case with the known pinch method, but in different consecutive sections (two in the example cited). ), each of these sections comprising a single refrigerant, arriving at its inlet temperature, to get as close as possible to the real geometry and therefore to the real pinches that the exchanger will present.
- FIG. 3B shows a comparison between the exchange diagrams Heat exchanged - Temperature ( ⁇ H - T), or enthalpy curves, obtained on the one hand with an exchanger simulated according to the classic pinch method (in (a)) and on the other hand leaves with an exchanger in which the fluids circulate in accordance with the invention (in (b)),
- the curves C, F, F1, F2 illustrate the evolution of the quantity of heat exchanged as a function of the temperature, respectively for the circulating fluid, a composite refrigerant constructed according to the classic pinch method, the refrigerant F1 according to the invention and the first other refrigerant F2 according to the invention.
- the majority more preferably at least 80% of the total number of passages 10 of the first series, or even all of the passages 10 of the first series, each comprise an inlet and an outlet 31, 41 for the refrigerant F1 and at least one first other inlet and one first other outlet 32, 42 for the first other refrigerant F2.
- the exchanger of the process according to the invention has a single type of passage 10 for refrigerant fluids, which greatly simplifies the design.
- passages of the same type we mean passages which have an identical configuration or structure, in particular in terms of dimensions of the passages, arrangements of the fluid inlets and outlets.
- the majority, preferably at least 80%, or even all, of the total number of passages 10 of the first series have an identical configuration.
- the inlets and outlets 31, 41, 32, 42 are arranged at substantially identical positions in the longitudinal direction z.
- the inputs and outputs 31, 41, 32, 42 of the passages 10 of the first series are arranged coincidentally one above the other, following the stacking direction x of the passages.
- the inlets 31, 32 and outlets 41, 42 thus placed one above the other are united respectively in collectors of semi-tubular shape 71, 72, 81, 82, through which the distribution and the evacuation of fluids.
- the longitudinal direction is vertical when the exchanger is in operation.
- the refrigerants F1, F2 generally flow vertically and in an upward direction.
- the circulating fluid C preferably circulates against the current.
- Other directions and senses flow of fluids F1, F2 are of course possible, without departing from the scope of the present invention.
- the passage 10 of the exchanger comprises distribution zones 51, 61, 52, 62, preferably furnished with distribution members, which extend from and towards the inlets 31, 32 and outlets 41, 42 of the passage 10.
- distribution zones are configured to uniformly direct and recover the fluids F1 and F2 over the entire width of the exchange zones A1 and A2 respectively.
- the portion 100 of the passage 10 comprises the distribution zones 51, 61 and the exchange zone A1 and the first other portion 200 comprises the distribution zones 52, 62 and the exchange zone A2.
- heat exchange structures are arranged in the exchange zones A1 and A2.
- the waves can be chosen from known wave types such as straight waves, partial offset waves (of the “serrated ” type in English), waves or herring bones (of the “herringbone ” type in English), perforated or not.
- the distribution members and the heat exchange structures form within the passage 10 a plurality of channels fluidly connecting the inlet 31 and outlet 41 to each other and the first other inlets 32 and outlets 42 to each other.
- the exchanger comprises a first end 1a at which, in operation, the temperature is the lowest of the exchanger, and a second end 1b at which, in operation, the temperature is the lowest. high of the exchanger.
- the second end 1b is arranged downstream of the first end 1a following the longitudinal direction z, so that the direction of flow of the fluids F1, F2 in the passage 10 is generally ascending.
- the portion 100 for the flow of the refrigerant F1 being arranged on the side of the first end 1a and the first other portion 200 for the flow of the first other refrigerant F2 is arranged between the portion 100 and the second end 1b.
- the first other portion 200 extends, following the longitudinal direction z, downstream of the portion 100.
- the portions 100, 200 are juxtaposed in the longitudinal direction z, as illustrated in the Figure 3 , which makes it possible to best optimize the space within passage 10 by maximizing the extent of the active zones.
- At least one refrigerant passage 10 of the first series comprises two other inlets 32, 33 configured to respectively introduce two other refrigerant fluids F2, F3 into two other respective portions 200, 300 of the passage 10, and two other outlets 42, 43 configured to respectively evacuate the two other refrigerant fluids F2, F3 from the two other portions 200, 300.
- the passage 10 is divided, in the longitudinal direction z, into three successive portions 100, 200, 300.
- the refrigerant F1 enters through the inlet 31 of at least one passage 10 at a so-called initial temperature T0 and is evacuated through the outlet 41 at a first temperature T1 greater than T0.
- the temperature T0 is between -55 and -75°C and the temperature T1 is between -10 and -30°C.
- the first other refrigerant F2 enters the passage 10 through the first other inlet 32 at a second temperature T2 and leaves through the first other outlet 42 at a third temperature T3, T3 being greater than T2.
- the temperature T2 is between -15 and -35°C and the temperature T3 is between 35 and 0°C.
- the second temperature T2 is lower than the first temperature T1.
- the second temperature T2 is lower by at least 1°C compared to the first temperature T1.
- the second temperature T2 is at most 15°C lower, more preferably at most 10°C, and preferably at most 5°C, than the first temperature T1. This is to avoid excessive mechanical stresses in the exchanger.
- the refrigerant F1 enters through the inlet 31 of at least one passage 10 at an initial temperature T0 of between -55 and -75°C and is evacuated through the outlet 41 at a first temperature T1 greater than T0, T1 being between -25 and -45 °C.
- the first other refrigerant F2 enters the passage 10 through a first other inlet 32 at a second temperature T2 and leaves through the first other outlet 42 at a temperature T3, T3 being greater than T2.
- the temperature T2 is between -30 and -50°C and the temperature T3 is between 0 and -20°C.
- the second other refrigerant F3 enters the passage 10 via a second other inlet 33 at a fourth temperature T4 and leaves via a second other outlet 43 at a fifth temperature T5, T5 being greater than T4.
- the temperature T4 is between -5 and -25°C and the temperature T5 is between 30 and 0°C.
- the fourth temperature T4 is lower than the third temperature T3. This makes it possible to have a superheated fluid F2 at the outlet of the portion 200 of the exchanger (high T3), while ensuring effective cooling of the calorific fluid in the second other portion 300 of the exchanger thanks to a starting temperature of vaporization, T4, of fluid F3 sufficiently low (less than T3).
- the fourth temperature T4 is at least 1°C lower than the third temperature T3.
- the second temperature T2 is at most 15°C lower, more preferably at most 10°C, and preferably at most 5°C, than the first temperature T1.
- the fourth temperature T4 is lower by at least 1°C relative to the third temperature T3, preferably the fourth temperature T4 is lower by at most 15°C, than the third temperature T3, more preferably, in order to to avoid excessive mechanical stresses in the exchanger, of at most 10°C, and preferably of at most 5°C, at the third temperature T4.
- the refrigerant F1 and the at least one other refrigerant F2 are fluids having different pressures.
- the refrigerant F1 flows into the exchanger at a first pressure P1 and the other refrigerant F2 flows into the exchanger at a second pressure P2 which is preferably greater than the first pressure P1.
- Fluids F1, F2 can have the same composition.
- An exchanger according to the invention can be used in any process using several refrigerant fluids of different types, particularly in terms of composition and/or characteristics such as pressure, temperature, physical state, etc.
- an exchanger according to the invention is particularly advantageous in a process for liquefying a hydrocarbon stream such as natural gas.
- An example of such a process is partially schematized on the Figure 4 .
- the natural gas arrives via conduit 110 for example at a pressure of between 4 MPa and 7 MPa and at a temperature of between 30°C and 60°C.
- the natural gas circulating in conduit 110, the first refrigerant current circulating in conduit 30 and the second refrigerant current circulating in conduit 20 enter the exchanger E1 according to the invention to circulate there in parallel and co-current directions .
- the natural gas leaves cooled exchanger E1 via line 102, for example at a temperature between - 35°C and - 70°C.
- the second refrigerant current leaves the exchanger E1 completely condensed through conduit 202, for example at a temperature between - 35°C and - 70°C.
- the exchanger E1 three fractions, also called flow rates or partial currents, 301, 302, 303 of the first refrigerant current in the liquid phase are successively withdrawn.
- the fractions are expanded through the expansion valves V11, V12 and V13 at three different pressure levels, forming a refrigerant F1 and two other refrigerants F2, F3.
- These three refrigerant fluids F1, F2, F3 of different types are reintroduced into the exchanger E1 having refrigerant passages provided with three separate inlets 31, 32, 33 in accordance with the invention, then vaporized by heat exchange with the natural gas, the second refrigerant current and part of the first refrigerant current.
- the three vaporized refrigerant fluids F1, F2, F3 are sent to different stages of the compressor K1, compressed then condensed in the condenser C1 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air.
- the first refrigerant current coming from the condenser C1 is sent to the exchanger E1 via line 30.
- the pressure of the first refrigerant current at the outlet of the compressor K1 can be between 2 MPa and 6 MPa.
- the temperature of the first refrigerant stream at the outlet of condenser C1 can be between 10°C and 45°C.
- the first refrigerant stream may be formed by a mixture of hydrocarbons such as a mixture of ethane and propane, but may also contain methane, butane and/or pentane.
- the proportions in mole fractions (%) of the components of the first refrigerant mixture can be: Ethane: 30% to 70% Propane: 30% to 70% Butane: 0% to 20%
- the natural gas circulating in the conduit 102 can be fractionated, that is to say that a part of the C 2+ hydrocarbons containing at least two carbon atoms is separated from the natural gas using a device known to those skilled in the art of art.
- the fractionated natural gas is sent via line 102 to another exchanger E2.
- the C2+ hydrocarbons collected are sent to fractionation columns including a deethanizer.
- the light fraction collected at the top of the deethanizer can be mixed with the natural gas circulating in conduit 102.
- the liquid fraction collected at the bottom of the deethanizer is sent to a depropanizer.
- the gas circulating in conduit 102 and the second refrigerant current circulating in conduit 202 enter the other exchanger E2 to circulate there in parallel and co-current directions.
- the second refrigerant current leaving the exchanger E2 via conduit 201 is expanded by the expansion member T3.
- the expansion member T3 can be a turbine, a valve or a combination of a turbine and a valve.
- the second expanded refrigerant stream from the turbine T3 is sent via conduit 203 into the exchanger E2 to be vaporized by counter-current refrigeration of the natural gas and the second refrigerant stream.
- the second vaporized refrigerant current is compressed by the compressor K2 then cools in the indirect heat exchanger C2 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air.
- the second refrigerant stream coming from the exchanger C2 is sent to the exchanger E1 via line 20.
- the pressure of the second refrigerant stream leaving the compressor K2 can be between 2 MPa and 8 MPa.
- the temperature of the second refrigerant stream at the outlet of exchanger C2 can be between 10°C and 45°C.
- the second refrigerant stream is not split into separate fractions, but, to optimize the approach in the exchanger E2, the second refrigerant stream can also be separated into two or three fractions, each fraction being expanded to a pressure level different then sent to different stages of the K2 compressor.
- the second refrigerant stream is formed for example by a mixture of hydrocarbons and nitrogen such as a mixture of methane, ethane and nitrogen but can also contain propane and/or butane.
- the proportions in mole fractions (%) of the components of the second refrigerant mixture can be: Nitrogen: 0% to 10% Methane: 30% to 70% Ethane: 30% to 70% Propane: 0% to 10%
- the natural gas leaves the heat exchanger E2 liquefied via conduit 101 at a temperature preferably at least 10°C higher than the bubble temperature of the liquefied natural gas produced at atmospheric pressure (the bubble temperature designates the temperature at which the first vapor bubbles form in a liquid natural gas at a given pressure) and at a pressure identical to the inlet pressure of the natural gas, except for pressure losses.
- the bubble temperature designates the temperature at which the first vapor bubbles form in a liquid natural gas at a given pressure
- natural gas leaves exchanger E2 at a temperature between -105°C and -145°C and at a pressure between 4 MPa and 7 MPa. Under these temperature and pressure conditions, natural gas does not remain entirely liquid after expansion to atmospheric pressure.
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Description
La présente invention concerne un procédé d'échange de chaleur. Un échangeur de chaleur pour un tel procédé comprend des séries de passages pour l'écoulement d'au moins un fluide frigorigène à mettre en relation d'échange thermique avec un fluide calorigène, l'échangeur comprenant au moins un passage configuré pour l'écoulement dudit fluide frigorigène et d'au moins un autre fluide frigorigène.The present invention relates to a heat exchange method. A heat exchanger for such a process comprises series of passages for the flow of at least one refrigerant fluid to be put into heat exchange relationship with a heat-producing fluid, the exchanger comprising at least one passage configured for the flow said refrigerant and at least one other refrigerant.
La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes brasés, qui permettent d'obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d'échange.The technology commonly used for an exchanger is that of aluminum exchangers with brazed plates and fins, which make it possible to obtain very compact devices offering a large exchange surface.
Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s'étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de passages de vaporisation et de passages de condensation, les uns destinés par exemple à vaporiser du liquide frigorigène et les autres à condenser un gaz calorigène. A noter que les échanges de chaleur entre les fluides peuvent avoir lieu avec ou sans changement de phase.These exchangers comprise a stack of plates which extend along two dimensions, length and width, thus constituting a stack of vaporization passages and condensation passages, some intended for example to vaporize refrigerant liquid and others to condense a gas calorigen. Note that heat exchanges between fluids can take place with or without phase change.
Afin d'introduire et d'évacuer les fluides de l'échangeur, les passages sont munis d'ouvertures d'entrée et de sortie de fluide. Les entrées et sorties placées les unes au-dessus des autres en suivant la direction d'empilement des passages de l'échangeur sont réunies respectivement dans des collecteurs d'entrée et de sortie de forme générale semi-tubulaire, par lesquels s'effectuent la distribution et l'évacuation des fluides.In order to introduce and evacuate fluids from the exchanger, the passages are provided with fluid inlet and outlet openings. The inlets and outlets placed one above the other following the stacking direction of the passages of the exchanger are united respectively in inlet and outlet collectors of generally semi-tubular shape, through which the exchange is carried out. distribution and evacuation of fluids.
Plusieurs fluides calorigènes et frigorigène, de nature et/ou de caractéristiques distinctes peuvent circuler dans l'échangeur. Ces fluides forment des courants ou débits distincts qui sont introduits et évacués de l'échangeur par des groupes d'entrées et de sorties dédiées à un type de fluide.Several heat-producing and refrigerant fluids, of distinct nature and/or characteristics, can circulate in the exchanger. These fluids form distinct currents or flow rates which are introduced and evacuated from the exchanger by groups of inlets and outlets dedicated to a type of fluid.
On connait notamment du document
Classiquement, dans le cas où plusieurs fluides frigorigènes circulent dans l'échangeur, les entrées et sorties des différents fluides frigorigènes sont agencées successivement, suivant la longueur de l'échangeur, par ordre de température croissant en partant du bout froid de l'échangeur, c'est-à-dire le point d'entrée dans l'échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse de toutes les températures de l'échangeur.Conventionally, in the case where several refrigerants circulate in the exchanger, the inlets and outlets of the different refrigerants are arranged successively, along the length of the exchanger, in order of increasing temperature starting from the cold end of the exchanger, that is to say the entry point into the exchanger where a fluid is introduced at the temperature the lowest of all the exchanger temperatures.
Ainsi, lorsque la température de sortie d'un fluide frigorigène est supérieure à la température d'entrée d'un autre fluide frigorigène, l'autre fluide frigorigène doit entrer dans l'échangeur, en suivant la longueur de l'échangeur, à une position plus proche du bout froid que ne l'est la sortie du fluide frigorigène.Thus, when the outlet temperature of a refrigerant is higher than the inlet temperature of another refrigerant, the other refrigerant must enter the exchanger, following the length of the exchanger, at a position closer to the cold end than the refrigerant outlet.
De façon connue, on utilise la méthode du pincement (en anglais Pinch analysis) pour planifier la manière dont circulent les fluides en relation d'échange thermique dans l'échangeur et maximiser l'efficacité énergétique de l'installation.In a known manner, the pinch analysis method is used to plan the way in which the fluids circulate in a heat exchange relationship in the exchanger and maximize the energy efficiency of the installation.
Le terme de pincement se réfère à l'écart minimum entre la température des fluides frigorigènes, c'est-à-dire les fluides qui se réchauffent dans l'échangeur, et la température des fluides calorigènes, c'est-à-dire les fluides qui se refroidissent dans l'échangeur, et ce en un point donné de l'échangeur. Pour visualiser ce pincement, on évalue l'écart entre deux courbes composites d'un diagramme Chaleur échangée - Température, comme illustré par la
Classiquement, afin d'optimiser le pincement entre les courbes du diagramme d'échange issues de la méthode du pincement, on prévoit au moins deux types de passages de fluide frigorigène différents, un type de passage dédié à la circulation d'un fluide frigorigène et au moins un autre type de passage dédié à la circulation de l'autre fluide frigorigène. Ces passages de type différent ne sont pas formés entre la même paire de plaques adjacente de l'échangeur.Conventionally, in order to optimize the pinch between the curves of the exchange diagram resulting from the pinch method, at least two different types of refrigerant passages are provided, a type of passage dedicated to the circulation of a refrigerant and at least one other type of passage dedicated to the circulation of the other refrigerant. These different type passages are not formed between the same pair of adjacent plates of the exchanger.
Il s'ensuit une complexification de l'échangeur et une augmentation significative du dimensionnement de l'échangeur. En outre, chaque type de passages présente alors une portion importante dans laquelle aucun fluide ne circule, c'est-à-dire une zone inactive en termes d'échange avec le fluide calorigène.This results in a complexity of the exchanger and a significant increase in the dimensioning of the exchanger. In addition, each type of passage then presents a significant portion in which no fluid circulates, that is to say an inactive zone in terms of exchange with the heat-producing fluid.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé utilisant un échangeur de chaleur de plus grande compacité et dont l'efficacité thermique et la tenue mécanique sont améliorées.The present invention aims to solve all or part of the problems mentioned above, in particular by proposing a process using a heat exchanger of greater compactness and whose thermal efficiency and mechanical strength are improved.
La solution selon l'invention est alors un procédé d'échange de chaleur selon la revendication 1.The solution according to the invention is then a heat exchange process according to claim 1.
Selon le cas, l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- plusieurs passages de la première série comprennent chacun au moins une entrée, une sortie, une première autre entrée et une première autre sortie de fluide frigorigène, lesdites entrées étant reliées fluidiquement à un même collecteur d'entrée, lesdites premières autres entrées étant reliées fluidiquement à un même premier autre collecteur d'entrée, lesdites premières sorties étant reliées fluidiquement à un même collecteur de sortie et lesdites premières autres sorties étant reliées fluidiquement à un même premier autre collecteur de sortie.
- au moins un passage de la deuxième série est adjacent audit au moins un passage de la première série et est configuré de sorte que, lorqu'un courant de fluide calorigène circule dans ledit passage, ledit courant de fluide calorigène échange de la chaleur avec le fluide frigorigène au niveau d'au moins une partie de la portion et avec le premier autre fluide frigorigène au niveau d'au moins une partie de la première autre portion.
- au moins un passage de la deuxième série comprend, au niveau de la seconde extrémité de l'échangeur, une entrée de fluide calorigène configurée pour distribuer le fluide calorigène dans ledit au moins un passage et, au niveau de la première extrémité de l'échangeur, une sortie de fluide calorigène configurée pour évacuer le fluide calorigène dudit au moins un passage.
- ledit au moins un passage de la première série comprend en outre au moins une deuxième autre entrée configurée pour introduire au moins un deuxième autre fluide frigorigène dans au moins une deuxième autre portion dudit passage et au moins une deuxième autre sortie configurée pour évacuer le au moins deuxième autre fluide frigorigène de la au moins deuxième autre portion, lesdites au moins première et deuxième autres entrées et au moins première et deuxième autres sorties étant agencées de sorte que ledit au moins un passage de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale, en au moins trois portions successives.
- several passages of the first series each comprise at least one inlet, an outlet, a first other inlet and a first other outlet of refrigerant, said inlets being fluidly connected to the same inlet manifold, said first other inlets being fluidly connected to the same first other input collector, said first outputs being fluidly connected to the same output collector and said first other outputs being fluidly connected to the same first other output collector.
- at least one passage of the second series is adjacent to said at least one passage of the first series and is configured so that, when a current of circulating fluid flows through said passage, said current of circulating fluid exchanges heat with the fluid refrigerant at at least part of the portion and with the first other refrigerant at at least part of the first other portion.
- at least one passage of the second series comprises, at the second end of the exchanger, a heating fluid inlet configured to distribute the heating fluid in said at least one passage and, at the first end of the exchanger , a circulating fluid outlet configured to evacuate the circulating fluid from said at least one passage.
- said at least one passage of the first series further comprises at least one second other inlet configured to introduce at least one second other refrigerant into at least one second other portion of said passage and at least one second other outlet configured to evacuate the at least second other refrigerant from the at least second other portion, said at least first and second other inlets and at least first and second other outlets being arranged so that said at least one other outlet at least one passage of the first series is divided, in the longitudinal direction, into at least three successive portions.
Avantageusement, la deuxième température est inférieure d'au moins 1 °C par rapport à la première température.Advantageously, the second temperature is at least 1°C lower than the first temperature.
La présente invention peut s'appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins deux courants partiels d'un fluide à deux phases liquide-gaz en tant que fluides frigorigènes, en particulier au moins deux courants partiels d'un mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d'hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un fluide calorigène, par exemple du gaz naturel.The present invention can be applied to a heat exchanger which vaporizes at least two partial streams of a fluid with two liquid-gas phases as refrigerants, in particular at least two partial streams of a mixture with several constituents, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one circulating fluid, for example natural gas.
En particulier, l'invention peut s'appliquer à un procédé de refroidissement, voire de liquéfaction d'un mélange d'hydrocarbures tel que le gaz naturel. En particulier, le procédé de liquéfaction est mis en oeuvre dans un procédé de production de gaz naturel liquéfié (GNL).In particular, the invention can be applied to a process for cooling or even liquefying a mixture of hydrocarbons such as natural gas. In particular, the liquefaction process is implemented in a liquefied natural gas (LNG) production process.
L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques.The expression "natural gas" refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane. This includes a “raw” composition (prior to any treatment or washing), as well as any composition that has been partially, substantially or entirely treated for the reduction and/or elimination of one or more compounds, including, but not limited to limit, sulfur, carbon dioxide, water, mercury and certain heavy and aromatic hydrocarbons.
Ainsi, l'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel en tant que courant de fluide calorigène, ledit procédé mettant en oeuvre un procédé d'échange de chaleur selon l'invention et comprenant les étapes suivantes :
- a) introduction du courant d'hydrocarbures dans l'échangeur de chaleur,
- b) introduction d'un premier courant réfrigérant dans l'échangeur de chaleur,
- c) extraction de l'échangeur de chaleur d'un courant partiel réfrigérant et d'au moins un autre courant partiel réfrigérant issus du premier courant réfrigérant,
- d) détente du courant partiel réfrigérant et de l'autre courant partiel réfrigérant à des niveaux de pression différents pour produire respectivement le fluide frigorigène et le premier autre fluide frigorigène,
- e) réintroduction du fluide frigorigène produit à l'étape d) par l'entrée d'au moins un passage de la première série,
- f) réintroduction du premier autre fluide frigorigène produit à l'étape d) par la première autre entrée dudit passage,
- g) refroidissement du courant d'hydrocarbures par échange de chaleur avec au moins le fluide frigorigène et le premier autre fluide frigorigène.
- a) introduction of the hydrocarbon stream into the heat exchanger,
- b) introduction of a first refrigerant current into the heat exchanger,
- c) extraction from the heat exchanger of a partial refrigerant current and at least one other partial refrigerant current coming from the first refrigerant current,
- d) expansion of the partial refrigerant current and the other partial refrigerant current at different pressure levels to respectively produce the refrigerant and the first other refrigerant,
- e) reintroduction of the refrigerant produced in step d) by the entry of at least one passage of the first series,
- f) reintroduction of the first other refrigerant produced in step d) through the first other inlet of said passage,
- g) cooling the hydrocarbon stream by heat exchange with at least the refrigerant and the first other refrigerant.
Notons que le courant d'hydrocarbures issu de l'étape g) peut être au moins en partie liquéfié.Note that the hydrocarbon stream resulting from step g) can be at least partly liquefied.
Eventuellement, le courant d'hydrocarbures refroidi et/ou au moins partiellement liquéfié à l'étape g) est introduit dans un autre échangeur dans lequel est introduit un deuxième courant réfrigérant. De préférence, le deuxième courant réfrigérant sortant de l'autre échangeur est détendu puis réintroduit dans ledit autre échangeur pour y être vaporisé en réfrigérant le courant d'hydrocarbures et le deuxième courant réfrigérant, de sorte que le courant d'hydrocarbures sort liquéfié et sous-refroidi de l'autre échangeur.Optionally, the hydrocarbon stream cooled and/or at least partially liquefied in step g) is introduced into another exchanger into which a second refrigerant stream is introduced. Preferably, the second refrigerant stream leaving the other exchanger is expanded then reintroduced into said other exchanger to be vaporized there by refrigerating the hydrocarbon stream and the second refrigerant stream, so that the hydrocarbon stream leaves liquefied and under -cooled from the other exchanger.
Le premier courant réfrigérant peut être un mélange d'hydrocarbures, par exemple un mélange contenant de l'éthane et du propane.The first refrigerant stream may be a mixture of hydrocarbons, for example a mixture containing ethane and propane.
De préférence, le fluide frigorigène produit à l'étape d) présente une première pression et le premier autre fluide frigorigène produit à l'étape d) présente une deuxième pression, la deuxième pression étant supérieure à la première pression.Preferably, the refrigerant produced in step d) has a first pressure and the first other refrigerant produced in step d) has a second pressure, the second pressure being greater than the first pressure.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux schémas ci-annexés, parmi lesquels :
- la
Figure 1 est une vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l'échangeur, d'un passage de fluide frigorigène d'un l'échangeur de chaleur selon l'art antérieur ; - la
Figure 2 est une vue schématique en coupe, dans un plan orthogonal aux plaques et parallèle à la direction longitudinale de l'échangeur, de séries de passages de l'échangeur de chaleur de laFigure 1 ; - la
Figure 3A est une autre vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l'échangeur, d'un passage d'un échangeur de chaleur mis en oeuvre dans un procédé d'échange selon un mode de réalisation de l'invention ; - la
Figure 3B illustre d'une part les courbes de diagramme d'échange d'un échangeur classique tel qu'illustré sur laFigure 1 et d'autre part les courbes de diagramme d'échange d'un procédé d'échange selon l'invention tel qu'illustré sur laFigure 3A ; - la
Figure 4 schématise un mode de réalisation d'un procédé d'échange de chaleur selon un mode de réalisation de l'invention, - la
Figure 5 est une vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l'échangeur, d'un passage d'un échangeur de chaleur mis en oeuvre dans un procédé d'échange selon un autre mode de réalisation de l'invention .
- there
Figure 1 is a schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of a refrigerant passage of a heat exchanger according to the prior art; - there
Figure 2 is a schematic sectional view, in a plane orthogonal to the plates and parallel to the longitudinal direction of the exchanger, of series of passages of the heat exchanger of theFigure 1 ; - there
Figure 3A is another schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of a passage of a heat exchanger used in an exchange process according to one embodiment of the invention; - there
Figure 3B illustrates on the one hand the exchange diagram curves of a classic exchanger as illustrated on theFigure 1 and on the other hand the exchange diagram curves of an exchange method according to the invention as illustrated in theFigure 3A ; - there
Figure 4 schematizes an embodiment of a heat exchange process according to one embodiment of the invention, - there
Figure 5 is a schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of a passage of a heat exchanger used in an exchange process according to another embodiment of the invention.
La
Les plaques sont disposées parallèlement l'une au-dessus de l'autre avec espacement suivant une direction d'emplilement x, formant ainsi une pluralité de passages pour des fluides en relation d'échange de chaleur indirect via les plaques. De préférence, chaque passage de l'échangeur a une forme parallélépipédique et plate. L'écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive.The plates are arranged parallel one above the other with spacing in a stacking direction x, thus forming a plurality of passages for fluids in indirect heat exchange relationship via the plates. Preferably, each passage of the exchanger has a parallelepiped and flat shape. The gap between two successive plates is small compared to the length and width of each successive plate.
La
A noter que le premier autre fluide frigorigène F2 peut être un fluide ayant une composition différente du fluide frigorigène F1 ou bien un fluide frigorigène ayant la même composition que le fluide frigorigène F1 mais au moins une caractéristique physique, en particulier pression, température, différente de celle du fluide frigorigène F1.Note that the first other refrigerant F2 may be a fluid having a composition different from the refrigerant F1 or a refrigerant having the same composition as the refrigerant F1 but at least one physical characteristic, in particular pressure, temperature, different from that of the refrigerant F1.
Le fluide calorigène C circule dans une deuxième série de passages 11 (visibles sur la
L'étanchéité des passages 10a, 10b le long des bords des plaques est généralement assurée par des bandes d'étanchéité latérales et longitudinales 4 fixées sur les plaques. Les bandes d'étanchéité latérales 4 n'obturent pas complètement les passages 10a, 10b mais laissent des ouvertures d'entrée 31, 32 et de sortie 41, 42 de fluide.The sealing of the
De façon connue en soi, l'échangeur comprend des organes de distribution 51, 61, 52, 62 qui s'étendent depuis et vers les entrées et sorties des passages. Ces organes, par exemple des ondes ou canaux de distribution sont configurés pour diriger et assurer une répartition et une récupération uniformes des fluides sur toute la largeur des passages.In a manner known per se, the exchanger comprises
En outre, les passages 10a, 10b comprennent avantageusement des structures d'échange thermique disposées entre les plaques. Ces structures ont pour fonction d'augmenter la surface d'échange thermique de l'échangeur. En effet, les structures d'échange thermique sont en contact avec les fluides circulant dans les passages et transfèrent des flux thermiques par conduction jusqu'aux plaques adajcentes.In addition, the
Les structures d'échange thermique ont aussi une fonction d'entretoises entre les plaques 2, notamment lors de l'assemblage par brasage de l'échangeur et pour éviter toute déformation des plaques lors de la mise en oeuvre des fluides sous pression. Elles assurent également le guidage des écoulements de fluide dans les passages de l'échangeur.The heat exchange structures also have a function as spacers between the
De préférence, ces structures comprennent des ondes d'échange thermique qui s'étendent avantageusement suivant la largeur et la longueur des passages 10a, 10b, parallèlement aux plaques 2, dans le prolongement des organes de distribution 51, 61, 52, 62 selon la longueur des passages 10a, 10b. Les passages de l'échangeur présentent ainsi une partie principale de leur longueur constituant la zone d'échange thermique proprement dite, qui est bordée par des zones de distribution garnies des organes 51, 61, 52, 62.Preferably, these structures comprise heat exchange waves which advantageously extend along the width and length of the
Un tel agencement de passages selon la
Dans le premier cycle de détente, le premier mélange réfrigérant issu d'un compresseur est sous refroidi dans un premier échangeur. Au moins deux courants partiels issus du premier mélange réfrigérants sont soutirés de l'échangeur en deux points de sortie distincts puis détendus à des niveaux de pression différents, formant ainsi au moins deux fluides frigorigènes distincts F1 et F2 réintroduits dans l'échangeurs par des entrées 31, 32 distinctes alimentant sélectivement les passages 10a, 10b pour y être vaporisés puis évacués par des sorties distinctes 41, 42.In the first expansion cycle, the first refrigerant mixture from a compressor is subcooled in a first exchanger. At least two partial streams from the first refrigerant mixture are withdrawn from the exchanger at two distinct outlet points then expanded at different pressure levels, thus forming at least two distinct refrigerant fluids F1 and F2 reintroduced into the exchanger via
Selon la méthode connue, le fluide frigorigène F1 détendu à un niveau de pression donné entre par l'entrée 31 située au bout froid de l'échangeur et sort par la sortie 41 à une température supérieure à la température d'entrée par l'entrée 32 de le premier autre fluide frigorigène détendu à un autre niveau de pression.According to the known method, the refrigerant F1 expanded at a given pressure level enters through the
Pour respecter l'agencement des entrées et sorties dans un ordre croissant de température des fluides, l'entrée de l'autre fluide frigorigène est située classiquement, suivant la direction longitudinale z, à une position plus proche du bout froid de l'échangeur que ne l'est la sortie du fluide frigorigène à pression plus faible.To respect the arrangement of the inlets and outlets in an increasing order of fluid temperature, the inlet of the other refrigerant is conventionally located, in the longitudinal direction z, at a position closer to the cold end of the exchanger than is the outlet of the refrigerant at lower pressure.
Comme on le voit sur la
La présente invention vise à réduire l'étendue longitudinale des ces zones inactives, voire à les éliminer totalement en proposant de partager longitudinalement au moins un passage formé entre deux plaques 2 de l'échangeur et d'y faire circuler différents fluides frigorigènes.The present invention aims to reduce the longitudinal extent of these inactive zones, or even to eliminate them completely by proposing to share longitudinally at least one passage formed between two
La
Comme on le voit sur la
Lesdites premières autres entrée et sortie 32, 42 étant agencées de sorte que ledit passage 10 de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale z, en au moins une portion 100 pour l'écoulement du fluide frigorigène F1 et une première autre portion 200 pour l'écoulement du premier autre fluide frigorigène F2.Said first other inlet and
De cette façon, lors du fonctionnement de l'échangeur, plusieurs fluides frigorigènes F1, F2 de types différents circulent au sein d'un même passage, c'est-à-dire entre deux mêmes plaques de l'échangeur, sur des portions d'écoulement dédiées qui se succèdent le long de la direction longitudinale z.In this way, during operation of the exchanger, several refrigerant fluids F1, F2 of different types circulate within the same passage, that is to say between two same plates of the exchanger, on portions of dedicated flows which follow one another along the longitudinal direction z.
De la sorte, la proportion de zones inactives dans l'échangeur est grandement réduite, voire éliminée, un même passage présentant au moins deux zones d'échanges actives A1, A2 au niveau desquelles le fluide frigorigène F1 et ledit au moins un premier autre fluide frigorigène F2 échangent successivement de la chaleur avec le fluide calorigène C.In this way, the proportion of inactive zones in the exchanger is greatly reduced, or even eliminated, the same passage having at least two active exchange zones A1, A2 at the level of which the refrigerant F1 and said at least one first other fluid refrigerant F2 successively exchange heat with the circulating fluid C.
La quasi-totalité, voire la totalité d'un passage 11 calorigène de la deuxième série est ainsi en contact avec un passage 10 frigorigène de la première série, ce qui favorise l'échange thermique et réduit drastiquement les contraintes thermiques et mécaniques exercées sur les plaques et les collecteurs d'entrée/sortie de l'échangeur. Le dimensionnement de l'échangeur peut être réduit, diminuant ainsi le coût de l'échangeur et de la boîte froide dans laquelle il est intégré. La réduction des zones inactives au sein de l'échangeur augmente aussi sa tenue mécanique.Almost all, or even the entirety of a
En fait, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence qu'en prenant en compte les chevauchements de températures dès la phase de conception du procédé, il est possible de faire circuler les fluides frigorigènes dans le même passage, même si la température de sortie du premier fluide est supérieure à celle d'entrée du second fluide. Il faut pour cela simuler l'échangeur, non pas en une seule section avec deux fluides firgorigènes arrivant à des températures différentes, comme c'est le cas avec la méthode connue du pincement, mais en différentes sections consécutives (deux dans l'exemple cité), chacune de ces sections comportant un seul fluide frigorigène, arrivant à sa température d'entrée, pour se rapprocher au mieux de la géométrie réelle et donc des pincements réels que présentera l'échangeur.In fact, the inventors of the present invention have demonstrated that by taking into account the temperature overlaps from the design phase of the process, it is possible to circulate the refrigerants in the same passage, even if the temperature of outlet of the first fluid is greater than that of entry of the second fluid. To do this, it is necessary to simulate the exchanger, not in a single section with two refrigerating fluids arriving at different temperatures, as is the case with the known pinch method, but in different consecutive sections (two in the example cited). ), each of these sections comprising a single refrigerant, arriving at its inlet temperature, to get as close as possible to the real geometry and therefore to the real pinches that the exchanger will present.
Ceci est illustré sur la
De préférence, la majorité, de préférence encore au moins 80% du nombre total de passages 10 de la première série, voire la totalité des passages 10 de la première série, comprennent chacun une entrée et une sortie 31, 41 pour le fluide frigorigène F1 et au moins une première autre entrée et une première autre sortie 32, 42 pour le premier autre fluide frigorigène F2.Preferably, the majority, more preferably at least 80% of the total number of
Avantageusement, l'échangeur du procédé selon l'invention présente un seul type de passage 10 de fluides frigorigène, ce qui en simplifie grandement la conception. On entend par passages du même type des passages qui présentent une configuration ou une structure identique, notamment en termes de dimensions des passages, de dispositions des entrées et sorties de fluide.Advantageously, the exchanger of the process according to the invention has a single type of
De préférence, la majorité, de préférence au moins 80%, voire la totalité, du nombre total de passages 10 de la première série présentent une configuration identique. En particulier, les entrées et sorties 31, 41, 32, 42 sont agencées à des positions sensiblement identiques suivant la direction longitudinale z.Preferably, the majority, preferably at least 80%, or even all, of the total number of
Ainsi, les entrées et sorties 31, 41, 32, 42 des passages 10 de la première série sont disposées en coïncidence les unes au-dessus des autres, en suivant la direction d'empilement x des passages. Les entrées 31, 32 et sorties 41, 42 placées ainsi l'une au-dessus de l'autre sont réunies respectivement dans des collecteurs de forme semi-tubulaire 71, 72, 81, 82, par lesquels s'effectuent la distribution et l'évacuation des fluides.Thus, the inputs and outputs 31, 41, 32, 42 of the
De préférence, la direction longitudinale est verticale lorsque l'échangeur est en fonctionnement. Les fluides frigorigènes F1, F2 s'écoulent globalement verticalement et dans le sens ascendant. Le fluide calorigène C circule de préférence à contre-courant. D'autres directions et sens d'écoulement des fluides F1, F2 sont bien entendu envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention.Preferably, the longitudinal direction is vertical when the exchanger is in operation. The refrigerants F1, F2 generally flow vertically and in an upward direction. The circulating fluid C preferably circulates against the current. Other directions and senses flow of fluids F1, F2 are of course possible, without departing from the scope of the present invention.
De préférence, le passage 10 de l'échangeur comprend des zones de distribution 51, 61, 52, 62, de préférence garnies d'organes de distribution, qui s'étendent depuis et vers les entrées 31, 32 et sorties 41, 42 du passage 10. Ces zones de distribution sont configurées pour diriger et récupérer uniformément les fluides F1 et F2 sur toute la largeur des zones d'échange A1 et A2 respectivement.Preferably, the
Avantageusement, la portion 100 du passage 10 comprend les zones de distribution 51, 61 et la zone d'échange A1 et la première autre portion 200 comprend les zones de distribution 52, 62 et la zone d'échange A2.Advantageously, the
Avantageusement, des structures d'échange thermique sont agencées dans les zones d'échange A1 et A2. On pourra utiliser les différents types d'ondes mis en oeuvre habituellement dans les échangeurs du type à plaques et ailettes brasés pour former les structures d'échange thermique des zones d'échange A1, A2. Les ondes pourront être choisie parmi les types d'onde connus tels les ondes droites, les ondes à décalage partiel (du type « serrated » en anglais), les ondes à vagues ou arrêtes de hareng (du type « herringbone » en anglais), perforées ou non.Advantageously, heat exchange structures are arranged in the exchange zones A1 and A2. We can use the different types of waves usually used in exchangers of the brazed plate and fin type to form the heat exchange structures of the exchange zones A1, A2. The waves can be chosen from known wave types such as straight waves, partial offset waves (of the “serrated ” type in English), waves or herring bones (of the “herringbone ” type in English), perforated or not.
Avantageusement, les organes de distribution et les structures d'échanges thermiques forment au sein du passage 10 une pluralité de canaux reliant fluidiquement les entrée 31 et sortie 41 entre elles et les première autres entrées 32 et sorties 42 entre elles.Advantageously, the distribution members and the heat exchange structures form within the
Selon l'invention, l'échangeur comprend une première extrémité 1a au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus faible de l'échangeur, et une deuxième extrémité 1b au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus élevée de l'échangeur.According to the invention, the exchanger comprises a
De préférence, la deuxième extrémité 1b est agencée en aval de la première extrémité 1a en suivant la direction longitudinale z, de sorte que le sens d'écoulement des fluides F1, F2 dans le passage 10 est globalement ascendant.Preferably, the
De préférence, la portion 100 pour l'écoulement du fluide frigorigène F1 étant agencée du côté de la première extrémité 1a et la première autre portion 200 pour l'écoulement du premier autre fluide frigorigène F2 est agencée entre la portion 100 et la deuxième extrémité 1b.Preferably, the
Ainsi, dans la représentation donnée sur la
De préférence, les portions 100, 200 sont juxtaposées suivant la direction longitudinale z, comme illustré sur la
Selon une variante de réalisation, illustrée sur la
Dans ce cas, au moins un passage frigorigène 10 de la première série comprend deux autres entrées 32, 33 configurées pour introduire respectivement deux autres fluides frigorigènes F2, F3 dans deux autres portions 200, 300 respectives du passage 10, et deux autres sorties 42, 43 configurées pour évacuer respectivement les deux autres fluides frigorigènes F2, F3 des deux autres portions 200, 300. Le passage 10 est divisé, suivant la direction longitudinale z, en trois portions 100, 200, 300 successives.In this case, at least one
Avantageusement, lorsque l'échangeurfonctionne, le fluide frigorigène F1 entre par l'entrée 31 d'au moins un passage 10 à une température dite initiale T0 et est évacué par la sortie 41 à une première température T1 supérieure à T0. De préférence, la température T0 est comprise entre -55 et - 75 °C et la température T1 est comprise entre -10 et -30 °C.Advantageously, when the exchanger is operating, the refrigerant F1 enters through the
De préférence, le premier autre fluide frigorigène F2 entre dans le passage 10 par la première autre entrée 32 à une deuxième température T2 et en sort par la première autre sortie 42 à une troisième température T3, T3 étant supérieure à T2. De préférence, la température T2 est comprise entre -15 et - 35 °C et la température T3 est comprise entre 35 et 0 °C.Preferably, the first other refrigerant F2 enters the
De préférence, la deuxième température T2 est inférieure à la première température T1. Cela permet d'avoir un fluide F1 surchauffé en sortie de la portion 100 de l'échangeur (T1 élevée), tout en assurant un refroidissement efficace du fluide calorigène dans la première autre portion 200 de l'échangeur grâce à une température de début de vaporisation, T2, du fluide F2 suffisamment basse (inférieure à T1).Preferably, the second temperature T2 is lower than the first temperature T1. This makes it possible to have a superheated fluid F1 at the outlet of
De préférence encore, la deuxième température T2 est inférieure d'au moins 1°C par rapport à la première température T1. De préférence, la deuxième température T2 est inférieure d'au plus 15°C, de préférence encore d'au plus 10°C, et préférentiellement d'au plus 5°C, à la première température T1. Ceci afin d'éviter des contraintes mécaniques excessives dans l'échangeur.More preferably, the second temperature T2 is lower by at least 1°C compared to the first temperature T1. Preferably, the second temperature T2 is at most 15°C lower, more preferably at most 10°C, and preferably at most 5°C, than the first temperature T1. This is to avoid excessive mechanical stresses in the exchanger.
Considérons à présent la variante où deux autres fluides frigorigènes F2, F3 s'écoulent dans un même passage 10.Let us now consider the variant where two other refrigerants F2, F3 flow in the
Avantageusement, lorsque l'échangeurfonctionne, le fluide frigorigène F1 entre par l'entrée 31 d'au moins un passage 10 à une température initiale T0 comprise entre -55 et -75 °C et est évacué par la sortie 41 à une première température T1 supérieure à T0, T1 étant comprise entre -25 et -45 °C.Advantageously, when the exchanger is operating, the refrigerant F1 enters through the
De préférence, le premier autre fluide frigorigène F2 entre dans le passage 10 par une première autre entrée 32 à une deuxième température T2 et en sort par la première autre sortie 42 à une température T3, T3 étant supérieure à T2. De préférence, la température T2 est comprise entre -30 et -50 °C et la température T3 est comprise entre 0 et -20 °C.Preferably, the first other refrigerant F2 enters the
De préférence, le deuxième autre fluide frigorigène F3 entre dans le passage 10 par une deuxième autre entrée 33 à une quatrième température T4 et en sort par une deuxième autre sortie 43 à une cinquième température T5, T5 étant supérieure à T4. De préférence, la température T4 est comprise entre -5 et -25 °C et la température T5 est comprise entre 30 et 0 °C.Preferably, the second other refrigerant F3 enters the
Avantageusement, la quatrième température T4 est inférieure à la troisième température T3. Cela permet d'avoir un fluide F2 surchauffé en sortie de la portion 200 de l'échangeur (T3 élevée), tout en assurant un refroidissement efficace du fluide calorigène dans la deuxième autre portion 300 de l'échangeur grâce à une température de début de vaporisation, T4, du fluide F3 suffisamment basse (inférieure à T3).Advantageously, the fourth temperature T4 is lower than the third temperature T3. This makes it possible to have a superheated fluid F2 at the outlet of the
De préférence, la quatrième température T4 est inférieure d'au moins 1°C par rapport à la troisième température T3.Preferably, the fourth temperature T4 is at least 1°C lower than the third temperature T3.
De préférence, la deuxième température T2 est inférieure d'au plus 15°C, de préférence encore d'au plus 10°C, et préférentiellement d'au plus 5°C, à la première température T1.Preferably, the second temperature T2 is at most 15°C lower, more preferably at most 10°C, and preferably at most 5°C, than the first temperature T1.
Avantageusement, la quatrième température T4 est inférieure d'au moins 1°C par rapport à la troisième température T3, de préférence la quatrième température T4 est inférieure d'au plus 15°C, à la troisième température T3, de préférence encore, afin d'éviter des contraintes mécaniques excessives dans l'échangeur, d'au plus 10°C, et préférentiellement d'au plus 5°C, à la troisième température T4.Advantageously, the fourth temperature T4 is lower by at least 1°C relative to the third temperature T3, preferably the fourth temperature T4 is lower by at most 15°C, than the third temperature T3, more preferably, in order to to avoid excessive mechanical stresses in the exchanger, of at most 10°C, and preferably of at most 5°C, at the third temperature T4.
Selon un mode de réalisation particulier, le fluide frigorigène F1 et le au moins un autre fluide frigorigène F2 sont des fluides présentant des pressions différentes. En particulier, le fluide frigorigène F1 s'écoule dans l'échangeur à une première pression P1 et l'autre fluide frigorigène F2 s'écoule dans l'échangeur à une deuxième pression P2 qui est de préférence supérieure à la première pression P1. Les fluides F1, F2 peuvent présenter la même composition.According to a particular embodiment, the refrigerant F1 and the at least one other refrigerant F2 are fluids having different pressures. In particular, the refrigerant F1 flows into the exchanger at a first pressure P1 and the other refrigerant F2 flows into the exchanger at a second pressure P2 which is preferably greater than the first pressure P1. Fluids F1, F2 can have the same composition.
Un échangeur selon l'invention peut être utilisé dans tout procédé mettant en oeuvre plusieurs fluides frigorigènes de types différents, notamment en termes de composition et/ou de caractéristiques telles que pression, température, état physique ...An exchanger according to the invention can be used in any process using several refrigerant fluids of different types, particularly in terms of composition and/or characteristics such as pressure, temperature, physical state, etc.
L'utilisation d'un échangeur selon l'invention est particulièrement avantageuse dans un procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel. Un exemple d'un tel procédé est schématisé partiellement sur la
Selon le procédé de liquéfaction de gaz naturel schématisé par la
Le gaz naturel sort refroidi de l'échangeur E1 par le conduit 102, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le deuxième courant réfrigérant sort totalement condensé de l'échangeur E1 par le conduit 202, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C.The natural gas leaves cooled exchanger E1 via
Dans l'échangeur E1, trois fractions, également appelées débits ou courants partiels, 301, 302, 303 du premier courant réfrigérant en phase liquide sont successivement soutirées. Les fractions sont détendues à travers les vannes de détente V11, V12 et V13 à trois niveaux de pression différents, formant un fluide frigorigène F1 et deux autres fluides frigorigènes F2, F3. Ces trois fluides frigorigènes F1, F2, F3 de types différents sont réintroduits dans l'échangeur E1 ayant des passages frigorigènes munis de trois entrées distinctes 31, 32, 33 conformément à l'invention, puis vaporisées par échange de chaleur avec le gaz naturel, le deuxième courant réfrigérant et une partie du premier courant réfrigérant.In the exchanger E1, three fractions, also called flow rates or partial currents, 301, 302, 303 of the first refrigerant current in the liquid phase are successively withdrawn. The fractions are expanded through the expansion valves V11, V12 and V13 at three different pressure levels, forming a refrigerant F1 and two other refrigerants F2, F3. These three refrigerant fluids F1, F2, F3 of different types are reintroduced into the exchanger E1 having refrigerant passages provided with three
Les trois fluides frigorigènes F1, F2, F3 vaporisés sont envoyés à différents étages du compresseur K1, comprimés puis condensés dans le condenseur C1 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le premier courant réfrigérant issu du condenseur C1 est envoyé dans l'échangeur E1 par le conduit 30. La pression du premier courant réfrigérant à la sortie du compresseur K1 peut être comprise entre 2 MPa et 6 MPa. La température du premier courant réfrigérant à la sortie du condenseur C1 peut être comprise entre 10 °C et 45°C.The three vaporized refrigerant fluids F1, F2, F3 are sent to different stages of the compressor K1, compressed then condensed in the condenser C1 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air. The first refrigerant current coming from the condenser C1 is sent to the exchanger E1 via
Le premier courant réfrigérant peut être formé par un mélange d'hydrocarbures tels qu'un mélange d'éthane et de propane, mais peut également contenir du méthane, du butane et/ou du pentane. Les proportions en fraction molaires (%) des composants du premier mélange réfrigérant peuvent être:
Le gaz naturel circulant dans le conduit 102 peut être fractionné, c'est-à-dire qu'une partie des hydrocarbures C2+ contenant au moins deux atomes de carbone est séparée du gaz naturel en utilisant un dispositif connu de l'homme de l'art. Le gaz naturel fractionné est envoyé par la conduite 102 dans un autre échangeur E2. Les hydrocarbures C2+ recueillis sont envoyés dans des colonnes de fractionnement comportant un deéthaniseur. La fraction légère recueillie en tête du deéthaniseur peut être mélangée avec le gaz naturel circulant dans le conduit 102. La fraction liquide recueillie en fond du deéthaniseur est envoyée à un dépropaniseur.The natural gas circulating in the
Le gaz circulant dans le conduit 102 et le deuxième courant réfrigérant circulant dans le conduit 202 entrent dans l'autre échangeur E2 pour y circuler selon des directions parallèles et à co-courant.The gas circulating in
Le deuxième courant réfrigérant sortant de l'échangeur E2 par le conduit 201 est détendu par l'organe de détente T3. L'organe de détente T3 peut être une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d'une vanne. Le deuxième courant réfrigérant détendu issu de la turbine T3 est envoyé par le conduit 203 dans l'échangeur E2 pour être vaporisé en réfrigérant à contre-courant le gaz naturel et le deuxième courant réfrigérant.The second refrigerant current leaving the exchanger E2 via
En sortie de l'échangeur E2, le deuxième courant réfrigérant vaporisé est comprimé par le compresseur K2 puis refroidit dans l'échangeur de chaleur indirect C2 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le deuxième courant réfrigérant issu de l'échangeur C2 est envoyé dans l'échangeur E1 par le conduit 20. La pression du deuxième courant réfrigérant en sortie du compresseur K2 peut être comprise entre 2 MPa et 8 MPa. La température du deuxième courant réfrigérant à la sortie de l'échangeur C2 peut être comprise entre 10 °C et 45 °C.At the outlet of the exchanger E2, the second vaporized refrigerant current is compressed by the compressor K2 then cools in the indirect heat exchanger C2 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air. The second refrigerant stream coming from the exchanger C2 is sent to the exchanger E1 via
Dans le procédé décrit en référence à la
Le deuxième courant réfrigérant est formé par exemple par un mélange d'hydrocarbures et d'azote tels qu'un mélange de méthane, d'éthane et d'azote mais peut également contenir du propane et/ou du butane. Les proportions en fractions molaires (%) des composants du deuxième mélange réfrigérant peuvent être:
Le gaz naturel sort liquéfié de l'échangeur de chaleur E2 par le conduit 101 à une température de préférence supérieure d'au moins 10°C par rapport à la température de bulle du gaz naturel liquéfié produit à pression atmosphérique (la température de bulle désigne la température à laquelle les premières bulles de vapeur se forment dans un gaz naturel liquide à une pression donnée) et à une pression identique à la pression d'entrée du gaz naturel, aux pertes de charge près. Par exemple le gaz naturel sort de l'échangeur E2 à une température comprise entre - 105 °C et - 145 °C et à une pression comprise entre 4 MPa et 7 MPa. Dans ces conditions de température et de pression, le gaz naturel ne reste pas entièrement liquide après une détente jusqu'à la pression atmosphérique.The natural gas leaves the heat exchanger E2 liquefied via
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D'autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l'homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple d'autres configurations d'injection et de d'extraction des fluides de l'échangeur, d'autres sens et directions d'écoulement des fluides, d'autres types de fluides... sont bien sûr envisageables, selon les contraintes imposées par le procédé à mettre en oeuvre.Of course, the invention is not limited to the particular examples described and illustrated in the present application. Other variants or embodiments within the reach of those skilled in the art can also be envisaged without departing from the scope of the invention. For example, other configurations for injecting and extracting fluids from the exchanger, other directions and directions of fluid flow, other types of fluids, etc. are of course possible, depending on the constraints. imposed by the process to be implemented.
Claims (8)
- Method for exchanging heat implementing a heat exchanger (E1) comprising a plurality of plates (2) parallel to a longitudinal direction (z) and defining between one another a first series of passages (10) for the flow of at least one refrigerant fluid (F1) and one first other refrigerant fluid (F2) that are intended to exchange heat with at least one calorigenic fluid (C) and a second series of passages (11) for the flow of said calorigenic fluid (C), at least one passage (10) of the first series that is defined between two adjacent plates (2) comprising:- a refrigerant fluid inlet (31) configured to introduce the refrigerant fluid (F1) into a portion (100) of said passage (10) and a refrigerant fluid outlet (41) configured to discharge the refrigerant fluid (F1) from the portion (100),- at least one first other refrigerant fluid inlet (32) configured to introduce the first other refrigerant fluid (F2) into a first other portion (200) of said passage (10) and at least one first other refrigerant fluid outlet (42) configured to discharge the first other refrigerant fluid (F2) from the first other portion (200),said first other inlet and outlet (32, 42) being arranged such that said at least one passage (10) of the first series is divided, in the longitudinal direction (z), into at least said portion (100) for the flow of the refrigerant fluid (F1) and said first other portion (200) for the flow of the first other refrigerant fluid (F2), the exchanger (E1) comprising a first end (1a) at which, during operation, the temperature is the lowest of the exchanger, and a second end (1b) at which, during operation, the temperature is the highest of the exchanger, said second end (1b) being arranged downstream of the first end (1a) in the longitudinal direction (z), the portion (100) for the flow of the refrigerant fluid (F1) being arranged alongside the first end (1a) and the first other portion (200) for the flow of the first other refrigerant fluid (F2) being arranged between the portion (100) and the second end (1b),said method comprising the following steps:i) introducing the calorigenic fluid (C) into at least one passage (11) of the second series,ii) introducing the refrigerant fluid (F1) via the inlet (31) of at least one passage (10) of the first series and causing said refrigerant fluid (F1) to flow in the first portion (100) in the longitudinal direction (z),iii) discharging the refrigerant fluid (F1) introduced in step ii) via the outlet (41) of said passage (10),iv) introducing the first other refrigerant fluid (F2) via the first other inlet (32) of said passage (10) and causing said other first refrigerant fluid (F2) to flow in the first other portion (200) in the longitudinal direction (z),v) discharging the first other refrigerant fluid (F2) introduced in step iv) via the first other outlet (42) of said passage (10),said stream of calorigenic fluid (C) being cooled successively by the refrigerant fluid (F1) and the first other refrigerant fluid (F2), which form two distinct streams of refrigerant fluids, the refrigerant fluid (F1) being discharged in step iii) from the exchanger (E1) at a first temperature (T1) and the first other refrigerant fluid (F2) being introduced in step iv) into the exchanger (E1) at a second temperature (T2), the second temperature (T2) being lower than the first temperature (T1) .
- Method according to Claim 1, characterized in that a plurality of passages (10) of the first series each comprise at least one inlet (31), one outlet (41), one first other inlet (32) and one second other outlet (42) for refrigerant fluid, said inlets (31) being fluidically connected to one and the same inlet manifold (71), said first other inlets (32) being fluidically connected to one and the same first other inlet manifold (72), said outlets (41) being fluidically connected to one and the same outlet manifold (81) and said first other outlets (42) being fluidically connected to one and the same first other outlet manifold (82).
- Method according to either of the preceding claims, characterized in that at least one passage (11) of the second series comprises, at the second end (1b) of the exchanger, a calorigenic fluid inlet configured to distribute the calorigenic fluid (C) in said at least one passage (11) of the second series and, at the first end (1a) of the exchanger, a calorigenic fluid outlet configured to discharge the calorigenic fluid (C) from said at least one passage (11) of the second series.
- Method according to one of the preceding claims, characterized in that said at least one passage (10) of the first series also comprises at least one second other inlet (33) configured to introduce at least one second other refrigerant fluid (F3) into at least one second other portion (300) of said passage (10) and one second other outlet (43) configured to discharge the at least one second other refrigerant fluid (F3) from the at least one second other portion (300), said first and second other inlets (32, 33) and first and second other outlets (42, 43) being arranged such that said at least one passage (10) of the first series is divided, in the longitudinal direction (z), into at least said portion (100) and into said first and second other portions (200, 300) .
- Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second temperature (T2) is at least 1°C lower than the first temperature (T1).
- Method for cooling a stream of hydrocarbons such as natural gas as stream of calorigenic fluid (C), said method implementing a method for exchanging heat according to one of Claims 1 to 5 and comprising the following steps:a) introducing the stream of hydrocarbons (C) into the heat exchanger (E1),b) introducing a first cooling stream (30) into the heat exchanger (E1),c) extracting, from the heat exchanger (E1), a partial cooling stream (301) and at least one other partial cooling stream (302) that originate from the first cooling stream (30),d) expanding the partial cooling stream (301) and the other partial cooling stream (302) to different pressure levels in order to respectively produce the refrigerant fluid (F1) and the first other refrigerant fluid (F2),e) reintroducing the refrigerant fluid (F1) into the heat exchanger (E1) via the inlet (31) of at least one passage (10) of the first series,f) reintroducing the first other refrigerant fluid (F2) into the heat exchanger (E1) via the first other inlet (32) of said passage (10),g) cooling the stream of hydrocarbons (C) by exchanging heat with at least the refrigerant fluid (F1) and the first other refrigerant fluid (F2).
- Method according to Claim 6, characterized in that the first cooling stream (30) is a mixture of hydrocarbons, for example, a mixture containing ethane and propane.
- Method according to either of Claims 6 and 7, characterized in that the refrigerant fluid (F1) produced in step d) has a first pressure (P1) and the first other refrigerant fluid (F2) produced in step d) has a second pressure (P2), the second pressure (P2) being higher than the first pressure (P1).
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