EP4062118A1 - Echangeur de chaleur avec agencement de dispositifs mélangeurs améliorant la distribution d'un mélange diphasique - Google Patents

Echangeur de chaleur avec agencement de dispositifs mélangeurs améliorant la distribution d'un mélange diphasique

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EP4062118A1
EP4062118A1 EP20804293.7A EP20804293A EP4062118A1 EP 4062118 A1 EP4062118 A1 EP 4062118A1 EP 20804293 A EP20804293 A EP 20804293A EP 4062118 A1 EP4062118 A1 EP 4062118A1
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EP
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longitudinal
mixing device
passages
exchanger
phase
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Marine ANDRICH
Paul Berhaut
Marc Wagner
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger comprising sets of passages for each of the fluids to be placed in a heat exchange relationship, the exchanger comprising an arrangement of mixing devices configured to distribute at least one mixture of two liquid phases more homogeneously. -gas in at least one of the sets of passages.
  • the present invention can be applied to a heat exchanger which vaporizes at least one flow of liquid-gas mixture, in particular a flow of liquid-gas mixture with several constituents, for example a mixture comprising hydrocarbons, by exchange. heat with at least one other fluid, for example natural gas, which cools, or even liquefies at least in part, or even liquefied natural gas which sub-cools.
  • a heat exchanger which vaporizes at least one flow of liquid-gas mixture, in particular a flow of liquid-gas mixture with several constituents, for example a mixture comprising hydrocarbons, by exchange. heat with at least one other fluid, for example natural gas, which cools, or even liquefies at least in part, or even liquefied natural gas which sub-cools.
  • liquefying a natural gas stream to obtain liquefied natural gas (LNG).
  • LNG liquefied natural gas
  • a refrigerant stream generally a mixture of several constituents, such as a mixture containing hydrocarbons, is compressed by a compressor then introduced into an exchanger or a succession of exchangers where it is completely liquefied and sub-cooled to the coldest temperature of the process, typically that of the liquefied natural gas stream.
  • the refrigerant stream is expanded, forming a liquid phase and a gas phase.
  • exchangers comprise a stack of plates which extend in two dimensions, length and width, thus constituting a stack of several sets of passages positioned on top of each other, some being intended for the circulation of a circulating fluid, for example the stream of hydrocarbons to be liquefied, others being intended for the circulation of a refrigerant, for example the two-phase refrigerant current to be vaporized.
  • Heat exchange structures such as heat exchange waves, are usually placed in the passages of the exchanger. These structures include fins that extend between the exchanger plates and increase the heat exchange surface area of the exchanger. They also play the role of spacers and contribute to the mechanical strength of the passages.
  • the proportion of liquid phase and gas phase must be the same in all passages and must be uniform within the same passage.
  • the sizing of the exchanger is calculated assuming a uniform distribution of the phases, and therefore a single end of vaporization temperature of the liquid phase, equal to the dew point temperature of the mixture.
  • the end of vaporization temperature will depend on the proportion of liquid phase and gas phase in the passages since the two phases do not have the same compositions.
  • the temperature profile of the first fluid will therefore vary according to the passages and / or within the same passage. Due to this non-uniform distribution, it may then happen that the fluid or fluids in exchange relation with the two-phase mixture have a temperature at the outlet of the exchanger higher than that expected, which consequently degrades the performance of the heat exchanger. the heat exchanger.
  • the documents FR-A-2563620 or WO-A-2018172644 describe such exchangers in which a grooved bar is inserted in the set of passages intended to channel the two-phase mixture.
  • This mixing device has a series of separate channels or grooves for the flow of the liquid phase of the refrigerant and another series of separate channels for the flow of the gas phase of the refrigerant.
  • the channels of one series are fluidly connected to the channels of the other series by orifices so that a liquid-gas mixture is distributed at the outlet of the mixing device towards the heat exchange zone.
  • Each refrigerant passage of the exchanger is fitted with such a device.
  • a problem that arises with this type of mixing device relates to the uneven distribution of the liquid-gas mixture in the width of the passages of the exchanger.
  • the two-phase mixture is distributed at the outlet of the channels opening into the passage. Since the channels are arranged at a certain distance from each other, the introduction of the liquid-gas mixture into the exchange zone occurs discreetly across the width of the passage.
  • a distribution can take place in the direction orthogonal to the overall direction of flow, in particular thanks to the exchange waves generally employed in this type of exchanger such as perforated or “serrated” type waves which tend to deviate part of the fluid from its direction of flow.
  • homogenization of the distribution of fluid across the width of the exchanger is only achieved after a certain distance traveled by the mixture after exiting the mixing device. Over this distance, the fluid feeds the exchange zone with unequal mass flow rates depending on the position considered in the width of the exchanger. Some channels of the exchange waves may be poorly or even unpowered. The performance of the exchanger is degraded. In some configurations, acceptable homogenization may not even be achieved. This is particularly the case when the exchange zone is provided with straight waves, with which distribution by lateral deflection of the fluid is not possible.
  • the object of the present invention is to resolve all or part of the above-mentioned problems, in particular by providing a heat exchanger ensuring a more homogeneous distribution of a two-phase mixture across the width of the exchanger.
  • a heat exchanger comprising several plates arranged parallel to each other and to a longitudinal direction, said plates being stacked with spacing so as to define between them at least a first set of passages configured for the flow of water.
  • a first fluid generally in the longitudinal direction and at least a second set of passages configured for the flow of a second fluid to be placed in heat exchange relation with the first fluid, at least a first passage of the first set comprising a first mixing device and at least one second passage of the first assembly comprising a second mixing device, each of the first and second mixing devices comprising:
  • the first and second mixing devices are configured to distribute a mixture of the first phase and of the second phase through the second outlets of their channels respective longitudinal ones, characterized in that the longitudinal channels of the first mixing device are arranged, at least in part, at positions in the lateral direction different from the positions of the longitudinal channels of the second mixing device.
  • the invention may include one or more of the following characteristics: - the second mixing device comprises two longitudinal edges extending parallel to the longitudinal direction, each longitudinal channel of the first mixing device being interposed, in the lateral direction, between two successive longitudinal channels of the second mixing device or between a longitudinal channel and an edge longitudinal of the second mixing device.
  • a single longitudinal channel of the first mixing device is interposed, in the lateral direction, between two successive longitudinal channels of the second mixing device or between a longitudinal channel and a longitudinal edge of the second mixing device.
  • the longitudinal channels of the first mixing device are separated from each other by a first constant distance and the longitudinal channels of the second mixing device are separated from each other by a second constant distance, preferably the first distance and the second distance are equal.
  • the series of longitudinal channels of the second mixing device is offset by an offset distance, measured in the lateral direction, with respect to the series of longitudinal channels of the first device, preferably the offset distance represents between 25 and 75% of the first distance, preferably the offset distance is 50% of the first distance.
  • the first distance and / or the second distance is between 10 and 40 mm, preferably greater than or equal to 20 mm and less than or equal to 30 mm.
  • Each of the first and second passages has a longitudinal axis of symmetry extending parallel to the longitudinal direction, the longitudinal channels of each first and second mixing device being arranged symmetrically with respect to the longitudinal axis of symmetry.
  • first passages and second passages arranged alternately, at least one passage of the second set being arranged between at least a first passage and at least a second consecutive passage to said at least a first passage.
  • the lateral channels and / or the longitudinal channels of the first mixing device and of the second mixing device are of rectilinear shape, preferably of parallelepipedal or generally parallelepipedal shape.
  • the first and second mixing devices each comprise a series of lateral channels extending in the lateral direction and succeeding each other in the longitudinal direction.
  • the invention relates to a process for liquefying a stream comprising hydrocarbons such as natural gas as a second fluid, said process implementing at least one exchanger according to the invention and comprising the following steps: a) introduction of the stream of hydrocarbons into the passages of the second set, b) introduction of a refrigerant stream into a third set of passages of the heat exchanger, c) outlet of the refrigerant stream from the heat exchanger and expansion refrigerant stream at at least one pressure level so as to produce at least one two-phase refrigerant stream, d) separation of at least part of the two-phase refrigerant stream from step c) into a gas phase and a liquid phase, e) introduction into each of the first and second passages of the first set, respectively, of at least part of the gas phase and at least part of the liquid phase through separate inlets of said first and second passages, f) passage of the phases introduced in step e) in first and second mixing devices so as to obtain a first and second mixing devices
  • natural gas refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane. This includes a "crude” composition (prior to any treatment or washing), as well as any composition that has been partially, substantially or fully treated for reduction and / or elimination. one or more compounds, including, but not limited to sulfur, carbon dioxide, water, mercury, and certain heavy and aromatic hydrocarbons.
  • Fig. 1 schematically shows a heat exchanger according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a three-dimensional schematic view of a first mixing device according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic sectional view, in a plane perpendicular to the plates of the exchanger, of a first mixing device according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 4 is a schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of a first and a second mixing device according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is a schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of a first and a second mixing device according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows the results of fluid flow simulations at the outlet of mixing devices configured according to the prior art and of devices configured according to the invention.
  • Fig. 7 shows schematically a process for liquefying an hydrocarbon stream according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 8 shows schematically a process for liquefying an hydrocarbon stream according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 1 is a sectional view of a heat exchanger 1 comprising a stack of plates 2 (not visible) which extend in two dimensions, parallel to a plane defined by a longitudinal direction z and a lateral direction y.
  • the plates 2 are arranged parallel one above the other with spacing and thus form a superposition of passages for fluids in indirect heat exchange relation via said plates.
  • each passage has a parallelepipedal and flat shape.
  • the difference between two successive plates is small compared to the length, measured in the longitudinal direction z, and the width, measured in the lateral direction y, of each passage.
  • the exchanger 1 can comprise a number of plates greater than 20, or even greater than 100, defining between them a first set of first and second passages 10A, 10B (the passages 10B are not visible in FIG. 1) to channel at least a first fluid F1, and a second set of passages 20 (not visible in FIG. 1) for channeling at least a second fluid F2, the flow of said fluids taking place generally in the z direction.
  • the passages 10A, 10B may be arranged, in whole or in part, alternating and / or adjacent to all or part of the passages 20.
  • the exchanger 1 may comprise a third set of passages, or even more, for the flow of one or more additional fluids. These sets of passages are superimposed on each other forming a stack of passages.
  • the sealing of the passages 10A, 10B, 20 along the edges of the plates 2 is generally ensured by lateral and longitudinal sealing strips 4 fixed to the plates 2.
  • the lateral sealing strips 4 do not completely block the passages. 10A, 10B, 20 but advantageously leave fluid inlet and outlet openings located in the diagonally opposite corners of the passages.
  • the openings of the passages 10A, 10B of the first set are disposed in coincidence one above the other, while the openings of the passages 20 of the second set are disposed in opposite corners.
  • the openings placed one above the other are united respectively in collectors of semi-tubular shape 40, 45, 52, 55, through which the distribution and evacuation of the fluids in and from the passages take place. 10A, 10B, 20.
  • fluid inlet and outlet configurations other than that according to Fig. 1 can be used.
  • the openings of the passages can thus be arranged at other positions in the width of the exchanger, in particular in the center of the width of the exchanger, and / or at other positions in the length of the exchanger.
  • the semi-tubular collectors 52 and 45 are used for the introduction of fluids into the exchanger 1 and the semi-tubular collectors 40, 55 are used for the evacuation of these fluids out of the exchanger 1.
  • the supply manifold of one of the fluids and the discharge manifold of the other fluid are located at the same end of the exchanger, the fluids F1, F2 thus circulating in counter-current in exchanger 1.
  • the first and second fluids can also circulate in co-current, the means for supplying one of the fluids and the means for discharging the other fluid then being located at opposite ends of the exchanger 1.
  • the z direction is oriented vertically when the exchanger 1 is in operation.
  • the first fluid F1 flows generally vertically and in an upward direction.
  • Other directions and direction of flow of the fluids F1, F2 are of course conceivable, without departing from the scope of the present invention.
  • one or more second F2 fluids of different types can flow within the passages 20 of the second set.
  • the first fluid F1 is a refrigerant and the second fluid F2 is a circulating fluid.
  • the exchanger advantageously comprises distribution waves 51, 54, arranged between two successive plates 2 in the form of corrugated sheets, which extend from the inlet and outlet openings.
  • the distribution waves 51, 54 ensure the uniform distribution and the recovery of the fluids over the entire width of the passages 10A, 10B, 20.
  • the passages 10A, 10B, 20 advantageously comprise heat exchange structures arranged between the plates 2.
  • the function of these structures is to increase the heat exchange surface area of the exchanger and to increase the coefficients of exchange between fluids making the flows more turbulent.
  • the heat exchange structures are in contact with the fluids circulating in the passages and transfer heat flows by conduction to the adjacent plates 2, to which they can be fixed by brazing, which increases the mechanical resistance of the exchanger.
  • the heat exchange structures also have a function of spacers between the plates 2, in particular when assembling the exchanger by brazing and to prevent any deformation of the plates when using pressurized fluids. They also ensure the guidance of the fluid flows in the passages of the exchanger.
  • these structures comprise heat exchange waves 11 which advantageously extend along the width and the length of the passages 10A, 10B, 20, parallel to the plates 2, in the extension of the distribution waves along the length of the passages.
  • the passages 10A, 10B, 20 of the exchanger thus have a main part of their length constituting the heat exchange part. proper, which is lined with a heat exchange structure, said main part being bordered by distribution parts lined with distribution waves 51, 54.
  • Fig. 1 shows a first passage 10A of the first assembly configured for the flow of a first fluid F1 in the form of a two-phase mixture, also called two-phase mixture.
  • the first set comprises several first passages 10A of this type as well as several second passages 10B superimposed on the first passages and of a structure similar to that of the first passages 10A.
  • the first fluid F1 is separated in a separator device 6 into a first phase 61 and a second phase 62 introduced separately into the exchanger 1 via a first manifold 30 and a second manifold 52 separate.
  • the first phase 61 is liquid and the second phase 62 is gaseous.
  • the first and second phases 61, 62 are then mixed with each other by means of a first mixing device 3A arranged in at least a first passage 10A.
  • a first mixing device 3A arranged in at least a first passage 10A.
  • several first passages 10A, or even all of the passages 10A of the first set include a first mixing device 3A.
  • the first and second phases 61, 62 are mixed with each other by means of a second mixing device 3B arranged in at least a second passage 10B.
  • several second passages 10B, or even all of the passages 10B of the first set comprises a second mixing device 3B.
  • the semi-tubular collectors 52 and 55 are fluidly connected to the inlets and outlets of the passages 10A and 10B.
  • the first manifold 30 is fluidly connected to at least a first inlet 311 A, 311 B of each of the first and second mixing devices 3A, 3B.
  • the second manifold 52 is fluidly connected to at least a second inlet 321 A, 321 B of each of the first and second mixing devices 3A, 3B.
  • Fig. 1 illustrates a mixing device 3A positioned at a certain distance from the distribution zone 51 of the exchanger 1.
  • the first mixing device 3A can be positioned directly after the distribution zone, or juxtaposed to said zone, or by being formed in one piece with the distribution zone.
  • the mixing device forms a monolithic part, which can be manufactured by conventional machining or by additive manufacturing, ie by 3D printing, for example by laser sintering.
  • Fig. 2 is a three-dimensional view of a first mixing device 3A advantageously consisting of a bar, or rod, housed in a first passage 10A.
  • the second mixer device 3B can have all or some of the characteristics described for the first device 3A.
  • the first mixing device 3A preferably extends in the section of the passage 10 over almost all, if not all, of the height of the first passage 10A, so that the mixing device is in contact with each plate 2 forming the first passage 10A.
  • the first mixing device 3A is advantageously fixed to the plates 2 by brazing.
  • the first mixing device 3A is advantageously of generally parallelepipedal shape.
  • the first mixer device 3A is a monolithic part, i. e. formed as a block or in one piece.
  • the first mixer device 3A can be manufactured by conventional machining or by additive manufacturing.
  • the first mixing device 3A may have, parallel to the longitudinal direction z, a first dimension comprised between 20 and 200 mm and, parallel to the lateral direction y, a second dimension comprised between 100 and 1,400 mm.
  • the first mixing device 3A comprises at least one side channel 31A configured for the flow of the first phase 61 of the first fluid F1 from at least one first inlet 311 A.
  • the side channel 31 A extends in parallel. to the lateral direction y.
  • It further comprises a series of longitudinal channels 32A extending parallel to the longitudinal direction z and configured for the flow of the second phase 62 of the first fluid F1 from a second inlet 321A to a second outlet 322A, said longitudinal channels being arranged at successive positions y ,, yi + i, ... in a lateral direction y.
  • the lateral channel 31 A extends over the entire second dimension and / or the longitudinal channel 32A extends over the entire first dimension.
  • the mixing device 3A comprises at least a first inlet 311 A in fluid communication with the first manifold 30 and a second inlet 321 A, separate, ie distinct, from the first inlet 311 A, in fluid communication with the second manifold 52
  • the first manifold 30 is fluidly connected to a first phase source 61 and the second manifold 52 is fluidly connected. to another second phase source 62.
  • Said at least one first inlet 311A and said at least one second inlet 321A are placed in fluid communication via at least one orifice 34.
  • the first and second inlets are advantageously formed by opening the side channels and longitudinal at the level of the lateral and longitudinal peripheral edges of the devices 3A, 3B.
  • Fig. 2 shows an introduction of the first phase 61 by one end of the device 3A comprising several first inputs 311A.
  • the first mixer device 3A comprises at least one other first inlet for the first phase 61 located at an opposite end of the device 3A.
  • these other inlets are obtained by extending the side channels 31 A, 31 B until they open out at an opposite side edge of the exchanger 1.
  • another first manifold 30 is arranged. on an opposite side of the exchanger 1.
  • the introduction of the first phase 61 on either side of the mixing device makes it possible to reduce the effect of pressure drops during the flow of the first phase in the lateral channels , which promotes a more homogeneous distribution of the two-phase mixture over the width of the exchanger.
  • the first mixing device 3A comprises a mixing volume located in the longitudinal channel 32A, downstream of the orifice 34 following the direction of flow of the first phase 61 in the orifice 34
  • the side channel 31 A is fluidly connected to at least one longitudinal channel 32A so that, when the first phase 61 flows into the side channel 31 A and the second phase 62 flows into the longitudinal channel 32A, the first device mixer 3A distributes via a second outlet 322A of channel 32A a mixture of the first phase 61 and of the second phase 62, preferably a two-phase liquid-gas mixture F1.
  • the longitudinal channel and / or the lateral channel have generally rectilinear shapes.
  • the channels 31 A, 32A are advantageously in the form of longitudinal recesses formed in the mixing device 3. They preferably open out at the level of the upper surfaces 3a and lower 3b of the mixing device 3A.
  • the channels 31A, 32A have a cross section of square or rectangular shape but may optionally have other shapes (round, portion of round, etc.).
  • the orifices 34 are advantageously bores 34 made in the material of the device 3A and extending between the lateral channel 31 A and the longitudinal channel 32A, preferably in the plane formed by the x and y directions, the orifices 34 being able to be inclined. with respect to the x direction or, preferably, be aligned with the vertical x direction.
  • the orifices 34 are of cylindrical symmetry, more preferably of cylindrical shape.
  • said at least one lateral channel 31 A comprises a bottom wall 3c and said at least one longitudinal channel 32A comprises a top wall 3d which extends opposite the bottom wall 3c, the orifices 34 being drilled in the bottom wall of the side channel 31 and opening into the top wall of the longitudinal channel 32A.
  • Fig. 3 is a view of the mixing device 3A of FIG. 2 in a section plane orthogonal to the lateral direction y and passing through the orifice 34.
  • the flow of the two-phase mixture of the first fluid F1 preferably takes place in the longitudinal direction z, with a progressive expansion in the width of the passage.
  • the homogenization of the flows in each passage is only obtained beyond a certain distance traveled by the mixture. This lack of homogenization of the mixture F1 occurs throughout the stack of passages 10A, 10B of the first set.
  • the present invention proposes to arrange respectively in a first passage 10A and in a second passage 10B of the first set, a first mixing device 3A and a second device 3B of different configuration with at least one part, preferably all of the longitudinal channels 32A of the first mixer device 3A positioned, along the lateral direction y, at positions different from those of the longitudinal channels 32B of the first mixer device 32B.
  • at least a part is meant one or more or all of the longitudinal channels 32A of the series.
  • the mixing flow disparities across the width of the exchanger are reduced or even eliminated after a shorter propagation distance of the mixture downstream of the mixing devices.
  • the heat exchanges between the two-phase mixture and the second fluid F2, and hence the operation of the exchanger, are improved.
  • the mechanical strength of the heat exchanger, during its brazing or in operation, is improved.
  • the channels 32A and 32B are no longer positioned superimposed in the stack of the exchanger and the lack of material resulting from the channels 32A and 32B is better distributed, which stiffens the stack.
  • thermal stresses are reduced due to a better distribution of the two-phase mixture seen by the second fluid.
  • the first set of passages for the flow of the two-phase mixture comprises several first passages 10A and several second passages 10B comprising first and second mixing devices configured according to the invention.
  • the first passages 10A and second passages 10B are advantageously positioned alternately within the stack of passages forming the exchanger.
  • At least one passage 20 of the second set is arranged between at least a first passage 10A and at least one second passage 10B consecutive to said at least one first passage 10A.
  • the stack of passages may have the following alternation pattern: first passage 10A, passage 20, second passage 10B, passage 20, first passage 10A, passage 20 ... The number of refrigerant passages is thus minimized.
  • the stack of passages may have the following alternation pattern: first passage 10A, second passage 10B, passage 20, first passage 10A, second passage 10B, passage 20, etc.
  • the present invention allows better homogenization of the overall refrigeration supply of the two-phase mixture to the second circulating fluid and therefore an improvement in the performance of the exchanger.
  • Fig. 4 and Fig. 5 show embodiments of the first and second device 3A, 3B according to the invention.
  • the devices 3A, 3B are shown side by side in the same plane but, in operation, they are arranged in separate passages 10A, 10B superimposed in the x direction, preferably they are located at the same position along the longitudinal direction z.
  • the positioning of the longitudinal channels 32A, 32B within the devices 3A, 3B is shown schematically by vertical lines.
  • the AA axis represents the longitudinal axis of symmetry of each passage 10A, 10B in the plane formed by the y and z directions.
  • Fig. 4 and Fig. 5 schematically represent the longitudinal channels in the form of lines.
  • the positions y ,, y, + i , yi + 2 ... of each channel along the lateral direction y can be determined by considering the position of the center of each channel along the lateral direction y.
  • the position of a channel in the y direction corresponds to the position of the axis of symmetry of the channel located at an equal distance from the side walls of the channel, as seen in FIG. 2.
  • the longitudinal channels 32A of the first mixer device 3A are separated from each other by a first constant distance DA and the longitudinal channels 32B of the second mixer device 3B are separated from each other by a second constant distance DB.
  • the distances DA, DB are measured parallel to the longitudinal direction y.
  • the first distance DA and the second distance DB are equal.
  • the first distance DA and / or the second distance DB may be between 10 and 40 mm, preferably greater than or equal to 20 mm and less than or equal to 30 mm.
  • the mixing devices 3A, 3B are each delimited by two longitudinal edges 3e.
  • the mixing devices 3A, 3B are dimensioned so as to cover at least partially, preferably entirely, the longitudinal sealing strips 4 which seal the passages along the longitudinal direction z.
  • the mixing devices 3A, 3B thus have a useful width L y which is less than the distance between the two longitudinal edges 3e and which corresponds to the width of the mixing devices exposed to the fluid, that is to say the width of the passage 10A. or 10B.
  • the mixing devices 3A, 3B have a useful zone of width L y which extends between two ends 81 and covering zones 80 which extend beyond the passages 10A, 10B and the width of which advantageously corresponds to that of the bands. side seals 4, as shown in Fig. 1. Such an arrangement ensures the rigidity of the stack and better mechanical strength of the brazed assembly.
  • each longitudinal channel 32A of the first mixer device 3A is interposed, in the lateral direction y, between two successive longitudinal channels 32B of the second mixer device 3B or between a longitudinal channel 32B and a longitudinal edge 3e of the second mixer device 3B.
  • a single longitudinal channel 32A of the first mixer device 3A is interposed, in the lateral direction y, between two successive longitudinal channels 32B of the second mixer device 3B or between a longitudinal channel 32B and a lateral edge 3e of the second mixer device 3B.
  • each pair of successive longitudinal channels 32B of the second mixer device 3B corresponds a longitudinal channel 32A of the first mixer device 3A interposed between the channels of said pair, possibly with a longitudinal channel 32A of the first mixer device 3A interposed between a longitudinal channel 32B and a side edge 3e of the second mixing device 3B.
  • the series of longitudinal channels 32B of the second mixer device 3B is offset by a predetermined offset distance D y , measured in the lateral direction y, with respect to the series of longitudinal channels 32A of the first device 3A.
  • the offset distance D y represents between 25 and 75% of the first distance D A , preferably the offset distance D y is of the order of 50% of the first distance D A.
  • the expression "of the order” means 50% or about 50%, with a variation of plus or minus 10% around this value.
  • the first and second mixing devices are of identical structure, one of the mixing devices being rotated by 180 ° with respect to the other in the plane formed by the y and z directions before being mounted in its passage.
  • the advantage of this configuration is that you only have to manufacture one type of mixing device, the different distribution of the longitudinal channels 32A, 32B being obtained by a simple inversion of the device in the plane formed by the y and z directions.
  • the distances D A and D B are equal and the offset D y is equal to half of D A.
  • the number of longitudinal channels 32A, 32B of the first and second mixer devices is identical.
  • the longitudinal channels 32A, 32B are arranged so that, for one of the mixing devices, the first longitudinal channel of the series is located at a distance D A from one end 81 of the useful area and the last longitudinal channel 32A from the series is located at a distance D A / 2 from the opposite end 81 of the useful zone, and vice versa for the other mixing device.
  • Fig. 5 shows an alternative embodiment in which the longitudinal channels of the first and second passages 10A, 10B are arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry AA of the exchanger.
  • the advantage of this configuration is to keep distribution points of the two-phase mixture distributed symmetrically across the width of the exchanger.
  • the distances D A and D BS are equal and the offset D y is equal to half of D A.
  • One of the first and second mixing devices has an additional longitudinal channel with respect to the other mixing device.
  • the longitudinal channels 32A, 32B are arranged so that, for one of the mixing devices, the first longitudinal channel and the last longitudinal channel 32A of the series are located at a distance D A from each opposite end 81 of the useful area.
  • the first longitudinal channel and the last longitudinal channel of the series are located at a distance D A / 2 from the opposite ends 81 of the useful zone.
  • the useful width L y of the mixing devices is a multiple of the distance D A.
  • the first and second mixing devices 3A, 3B are arranged in their respective passages 10A, 10B so that their lower surfaces 3b at which their longitudinal channels 32A, 32B open are all oriented in the vertical direction x or, as illustrated in particular in FIG. 3, are all oriented in a direction opposite to the vertical direction x.
  • At least one of the first mixing devices 3A have a lower surface 3b oriented in an opposite direction with respect to the direction of orientation of the lower surface 3b of at least one second mixing device 3B and / or d 'at least one other first mixer device 3A, i.e. at least one first mixer device is turned over, before being arranged in its passage, 180 ° around an axis parallel to the y direction.
  • This makes it possible to direct the flow of the two-phase mixture towards certain adjacent passages 20 of the second set in order to favor heat exchange with certain circulating fluids rather than others. It is for example possible to envisage an alternating orientation of the lower surfaces 3b of the first and second mixing devices succeeding one another in the stack of passages.
  • the longitudinal channels of the additional mixing devices are arranged, in the lateral direction y, at positions different from those of the first and second mixing devices.
  • the exchanger would comprise a third mixing device 3C with longitudinal channels 32C, longitudinal channels of the first mixing device 3A and of the second mixing device 3B being interposed, in the lateral direction y, between two successive longitudinal channels 32C of the third device or between a longitudinal channel 32C and a longitudinal edge of the third device 3C.
  • FIG. 6 shows the results of simulations of the propagation of a two-phase mixture in an exchanger comprising a conventional arrangement of passages with the same type of mixing devices (configuration A), and an arrangement of passages with first and second mixing devices configured according to the invention (configuration B).
  • each passage of the first set included a mixing device in the form of a grooved bar having, as longitudinal channels, a series of parallelepiped-shaped grooves succeeding each other at regular intervals of 30 mm and, as lateral channels, a series of parallelepiped shaped grooves fluidly connected to the longitudinal channels by a single orifice per longitudinal channel.
  • the geometry of the orifices was identical for all the longitudinal channels.
  • the longitudinal channels of each mixing device were arranged in the same number and at identical positions y ,, yi + i, ... in the lateral direction y.
  • first and second mixing devices were arranged alternately in the passages of the first set of passages of the exchanger.
  • waves of the “serrated” type i. e. partially offset, were arranged at the outlet of the mixing devices in each passage.
  • One hypothesis of the simulation being that the mixing flow rate was divided into two equal parts with each change in wave tightness.
  • Fig. 6 shows the dimensionless mass flow rates obtained in the lateral direction y at a propagation distance of 200 mm, in the longitudinal direction z, after the exit of the longitudinal channels and by averaging the flow rates over all the passages of the first set of the exchanger. It can be seen that the amplitude of the variation in flow rate across the width of the exchanger is reduced in configuration B according to the invention.
  • Fig. 7 and Fig. 8 show examples of processes implementing one or more exchangers according to the invention.
  • Fig. 7 shows schematically a process for liquefying a stream of hydrocarbons 102 as a second fluid F2, which may be natural gas, optionally pre-treated, for example having undergone a separation of at least one of the following constituents: water, dioxide of carbon, sulfur compounds, methanol, mercury, before its introduction into the heat exchanger 1.
  • the hydrocarbon stream comprises, in mole fraction, at least 60% methane, preferably at least 80%.
  • the hydrocarbon stream 102 and the refrigerant stream 202 enter the exchanger 1 respectively through a third inlet 25 and a fourth inlet 21 in order to flow there in dedicated passages of the exchanger in directions parallel to the longitudinal direction z, which is substantially vertical in operation.
  • the flow of hydrocarbons 102 circulates in the passages 20 of the second assembly supplied by the third inlet 25.
  • the refrigerant stream 202 circulates in a third set of passages arranged within the stack forming the exchanger 1. These streams emerge through a third outlet 22 and a first outlet 23.
  • the passages of the second and of the third set are arranged, in whole or in part, alternately and / or adjacent to all or part of the passages 10A, 10B of the first set.
  • the fourth inlet 21 for the refrigerant stream 202 and the third inlet 25 for the hydrocarbon stream 102 are arranged so that the refrigerant stream 202, and optionally the hydrocarbon stream 102, flow cocurrently in the downward direction, in the direction of a second end 1b of the exchanger which is located at a level lower than that of a first end 1a of said exchanger.
  • the first end 1a corresponds to the hot end of the exchanger 1, i. e. the entry point of the exchanger where a fluid is introduced at the highest temperature of the exchanger temperatures, this entry point possibly being the fourth inlet 21 or the third inlet 25 depending on the process.
  • the hydrocarbon stream 102 can be introduced into exchanger 1 at a temperature between -130 and 40 ° C.
  • the hydrocarbon stream 102 is introduced in the fully gaseous or partially liquefied state into the exchanger 1 at a temperature between -80 and -35 ° C.
  • the hydrocarbon stream 102 is introduced completely liquefied into exchanger 1 at a temperature between -130 and -100 ° C.
  • the refrigerant stream 201 leaving the exchanger 1 is expanded by an expansion member T3, such as a turbine, a valve or a combination of a turbine and a valve, so as to form a two-phase refrigerant stream 203 comprising a phase liquid and a gas phase.
  • the two-phase refrigerant stream 203 forms the first fluid F1 considered previously.
  • At least part of the two-phase refrigerant stream 203 coming from the expansion is introduced into a separator member 27.
  • the separator member can be any device suitable for separating a two-phase fluid into a gas stream on the one hand and a liquid stream on the other hand. go.
  • the gas phase 62 is introduced through the collector 52 which supplies the second inlets 321 A, 321 B of the first and second mixing devices 3A, 3B arranged in the first and second passages 10A, 10B of the first set.
  • the liquid phase 61 is introduced by the first collector 30 which supplies the first inlets 311 A, 311 B of the first and second mixing devices 3A, 3B (not shown in Fig. 7).
  • the gas phase is introduced through an inlet located in the region of the second end 1b corresponding to the cold end of the exchanger 1, i. e. the point of entry into the exchanger where a fluid is introduced at the lowest temperature of the fluid temperatures in the exchanger.
  • the two phases 61, 62 of the two-phase current 203 are recombined within the exchanger 1 and distributed in the state of a liquid-gas mixture in the first 10A and second 10B passages of the exchanger 1 provided respectively with first 3A and second 3B mixing devices according to the invention.
  • the two-phase refrigerant stream 203 is introduced into the heat exchanger 1 at a first temperature T1 of between -120 and -160 ° C and leaves the heat exchanger 1 at a second temperature T2 higher than the first temperature T1, preferably with T2 between -35 and -130 ° C.
  • the two-phase refrigerant stream 203 is introduced into the heat exchanger 1 at a first temperature T1 of between -130 and -80 ° C and leaves the heat exchanger 1 at a second temperature T2 higher than the first temperature T1, preferably with T2 between -10 and 50 ° C.
  • Said at least part of the two-phase refrigerant stream 203 flows in the passages 10A, 10B in an upward direction and is vaporized by countercurrently refrigerating the natural gas 102 and the refrigerant stream 202.
  • a cooled hydrocarbon stream is obtained. and / or at least partially liquefied 101 at the outlet of exchanger 1.
  • the vaporized refrigerant stream leaves the exchanger 1 via a second outlet 42 connected to the manifold 55 to be compressed by a compressor and then cooled in an indirect heat exchanger by heat exchange with an external cooling fluid, for example water. or air (at 26 in Fig. 1).
  • the pressure of the refrigerant stream leaving the compressor can be between 2 MPa and 9 MPa.
  • the temperature of the refrigerant stream at the outlet of the indirect heat exchanger can be between 10 ° C and 45 ° C.
  • the refrigerant stream is not split into separate fractions, but, to optimize the approach in exchanger 1, the refrigerant stream can also be split into two or three fractions, each fraction being expanded to a different pressure level and then sent to different stages of the compressor.
  • the refrigerant stream 202 contains hydrocarbons having a carbon atom number of at most 5, preferably at most three, more preferably at most two.
  • the refrigerant stream 202 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, butane, isobutane , n-butane, pentane, isopentane, n-pentane and / or ethylene.
  • nitrogen such as a mixture of methane, ethane and nitrogen but can also contain propane, butane, isobutane , n-butane, pentane, isopentane, n-pentane and / or ethylene.
  • the proportions in mole fractions (%) of the components of the refrigerant stream can be:
  • the refrigerant stream may include, replacing ethane, ethylene and, replacing all or part of the propane, compounds of the type C4, C5.
  • the natural gas exits at least partially liquefied 101 from the exchanger 1 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 natural gas inlet pressure, except for pressure drops.
  • 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 1 at a temperature between -100 ° C and -162 ° C and at a pressure between 2 MPa and 7 MPa. Under these temperature and pressure conditions, and depending on its composition, natural gas does not generally remain liquid after expansion to atmospheric pressure.
  • the process for liquefying a hydrocarbon stream according to the invention can implement one or more additional refrigeration cycles. carried out upstream of the main refrigeration cycle described above, so as to pre-cool the hydrocarbon stream.
  • Fig. 8 shows schematically a process for liquefying a stream of hydrocarbons such as natural gas comprising an additional refrigeration cycle in which the natural gas is cooled to a temperature close to its dew point using at least two different levels of relaxation to increase the efficiency of the cycle.
  • This additional refrigeration cycle is operated by means of an additional refrigerant stream 300 in an additional heat exchanger 2, called the pre-cooling exchanger, arranged upstream of the heat exchanger 1 in the direction of the flow of the current. of hydrocarbons 110, which then forms the liquefaction exchanger.
  • a feed stream 110 arrives, for example, at a pressure of between 2.5 MPa and 7 MPa and at a temperature of between 20 ° C and 60 ° C.
  • the feed stream 110 comprising a mixture of hydrocarbons such as natural gas, the refrigerant stream 202, an additional refrigerant stream 300 enter the additional exchanger 2 to flow therein in parallel directions and co-current in the direction. descending.
  • the stream of hydrocarbons 102 leaves in the gaseous or partially liquefied state, for example at a temperature between between - 35 ° C and - 70 ° C.
  • the refrigerant stream 202 can also exit completely condensed from the exchanger 2, for example at a temperature between - 35 ° C and - 70 ° C.
  • Stream 102 is then introduced into exchanger 1.
  • the stream 203 is vaporized in the exchanger 1 and leaves it to be compressed by the compressor K2 and then cooled in the indirect heat exchanger C2 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air.
  • the refrigerant stream from exchanger C2 is then returned to additional exchanger 2.
  • Additional refrigerant stream 300 may be a mixture of hydrocarbons such as a mixture of ethane and propane, but may also contain methane, ethylene, propylene, butane and / or pentane.
  • the proportions in molar fraction (%) of the components of the first cooling mixture can be:
  • the additional exchanger 2 which is also of the brazed plate and fin type, at least two partial streams issuing from the additional refrigerant stream 300 are withdrawn from the exchanger at at least two separate outlet points and then relaxed to pressure levels. different, giving rise to two-phase expanded partial currents each comprising a liquid phase and a gas phase. At least part of these two-phase partial currents is introduced into respective separator members 24, 25, 26.
  • each separating member The gaseous and liquid phases separated by each separating member are introduced through separate inlets of the additional exchanger 2 and recombined within mixing devices (not shown) so as to form at least two refrigerants introduced in the state of a liquid mixture. -gas in dedicated refrigerant passages. Alternatively, only the liquid phase is injected into exchanger 2 and the gas phase is directed to the inlet of the compression stages of compressor K1. These refrigerants are vaporized in the additional exchanger 2 by heat exchange with the feed stream 110 and the refrigerant stream 200 and the additional refrigerant stream 300.
  • the additional exchanger comprises at least two refrigerant passages each comprising a mixing device, these devices comprising one or more of the characteristics described above for the first and second mixing devices 3A, 3B.
  • the refrigerants vaporized in their respective refrigerant passages are sent to different stages of the compressor K1, compressed and then condensed in a condenser by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air.
  • the stream coming from the condenser is returned to the additional exchanger 2.
  • the pressure of the first refrigerant stream at the outlet of the compressor K1 can be between 2 MPa and 6 MPa.
  • the temperature of the additional refrigerant stream at the outlet of the condenser C1 can be between 10 ° C and 45 ° C.
  • the refrigerants flow from one end 2b of the additional exchanger 2 to another end 2a in the longitudinal direction z, in the upward direction.
  • the end 2b corresponds to the cold end of the additional exchanger 2 where the refrigerant is introduced at the lowest temperature of the temperatures of the additional exchanger 2.

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Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur (1) comprenant plusieurs plaques (2) agencées parallèlement entre elles et à une direction longitudinale (z), lesdites plaques (2) étant empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins un premier ensemble de passages (10A, 10B) configurés pour l'écoulement d'un premier fluide (F1) globalement suivant la direction longitudinale (z) et au moins un deuxième ensemble de passages (20) configurés pour l'écoulement d'un deuxième fluide (F2) à mettre en relation d'échange thermique avec le premier fluide (F1), au moins un premier passage (10A) du premier ensemble comprenant un premier dispositif mélangeur (3A) et au moins un deuxième passage (10B) du premier ensemble comprenant un deuxième dispostif mélangeur (3B), chacun des premier et deuxième dispositifs mélangeurs (3A, 3B) comprenant au moins un canal latéral (31A, 31B) configuré pour l'écoulement d'une première phase (61) du premier fluide (F1) à partir d'au moins une première entrée (311A, 311B), une série de canaux longitudinaux (32A, 32B) s'étendant suivant la direction longitudinale (z) et configurés chacun pour l'écoulement d'une deuxième phase (62) du premier fluide (F1) à partir d'une deuxième entrée (321A, 321B) jusqu'à une deuxième sortie (322A, 322B), lesdits canaux longitudinaux se succédant suivant une direction latérale (y) orthogonale à la direction longitudinale (z), et au moins un orifice (34) reliant fluidiquement ledit au moins un canal latéral (31A, 31B) à au moins un canal longitudinal (32A, 32B) de sorte que les premier et deuxième dispositif mélangeur (3A, 3B) sont configurés pour distribuer un mélange de la première phase (61) et de la deuxième phase (62) par les deuxièmes sorties (322A, 322B). Selon l'invention, les canaux longitudinaux (32A) du premier dispositif mélangeur (3A) sont agencés, au moins en partie, à des positions suivant la direction latérale (y) différentes des positions des canaux longitudinaux (32B) du deuxième dispositif mélangeur (3B).

Description

Echangeur de chaleur avec agencement de dispositifs mélangeurs améliorant la distribution d’un mélange diphasique
La présente invention concerne un échangeur de chaleur comprenant des ensembles de passages pour chacun des fluides à mettre en relation d’échange thermique, l’échangeur comprenant un agencement de dispositifs mélangeurs configuré pour distribuer de façon plus homogène au moins un mélange de deux phases liquide-gaz dans au moins un des ensembles de passages.
En particulier, la présente invention peut s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange liquide-gaz à plusieurs constituants, par exemple un mélange comprenant des hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel, qui se refroidit, voire se liquéfie au moins en partie, voire du gaz naturel liquéfié qui se sous-refroidit.
Parmi les procédés utilisant un ou plusieurs cycles de réfrigération de fluide avec réfrigérant diphasique, i.e. à l’état de mélange liquide/gaz, on connaît plusieurs méthodes de liquéfaction d’un courant de gaz naturel pour obtenir du gaz naturel liquéfié (GNL). Typiquement, un courant réfrigérant, généralement un mélange à plusieurs constituants, tel qu’un mélange contenant des hydrocarbures, est comprimé par un compresseur puis introduit dans un échangeur ou une succession d’échangeurs où il est totalement liquéfié et sous-refroidi jusqu’à la température la plus froide du procédé, typiquement celle du courant de gaz naturel liquéfié. A la sortie la plus froide de l’échangeur, le courant réfrigérant est détendu en formant une phase liquide et une phase gazeuse. Ces deux phases sont séparées au moyen d’un séparateur de phases puis réintroduites dans l’échangeur et remélangées avant d’être réintroduites à l’état de mélange liquide-gaz, i. e. à l’état diphasique, dans l’échangeur. Le courant réfrigérant introduit à l’état diphasique dans l’échangeur y est vaporisé contre le courant d’hydrocarbures qui se liquéfie et contre le gaz naturel. Le document WO-A-2017081374 décrit une de ces méthodes connues.
L’utilisation d’échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés permet d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé, et ce dans un volume limité.
Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de plusieurs ensembles de passages positionnés les uns sur les autres, les uns étant destinés à la circulation d’un fluide calorigène, par exemple le courant d’hydrocarbures à liquéfier, d’autres étant destinés à la circulation d’un fluide frigorigène, par exemple le courant réfrigérant diphasique à vaporiser.
Des structures d’échange thermique, telles des ondes d’échange thermique, sont généralement disposées dans les passages de l’échangeur. Ces structures comprennent des ailettes qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur et permettent d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur. Elles jouent également le rôle d’entretoises et contribuent à la tenue mécanique des passages.
Il se pose certains problèmes dans les échangeurs mettant en œuvre des courants réfrigérants de nature diphasique, en particulier lorsque leur vaporisation a lieu en écoulement vertical ascendant.
En effet, afin d’assurer le bon fonctionnement de l’échangeur, c’est-à-dire notamment de maximiser l’utilisation de sa surface d’échange, en particulier pour un échangeur mettant en œuvre un mélange liquide-gaz, la proportion de phase liquide et de phase gazeuse doit être la même dans tous les passages et doit être uniforme au sein d’un même passage.
Le dimensionnement de l’échangeur est calculé en supposant une répartition uniforme des phases, et donc une seule température de fin de vaporisation de la phase liquide, égale à la température de rosée du mélange.
Pour un mélange à plusieurs constituants en particulier, la température de fin de vaporisation va dépendre de la proportion de phase liquide et de phase gazeuse dans les passages étant donné que les deux phases n’ont pas les mêmes compositions.
Dans le cas d’une répartition inégale des deux phases, le profil de température du premier fluide va donc varier selon les passages et/ou au sein d’un même passage. Du fait de cette répartition non uniforme, il peut alors arriver que le ou les fluides en relation d’échange avec le mélange à deux phases aient une température en sortie de l’échangeur supérieure à celle prévue, ce qui dégrade en conséquence les performances de l’échangeur de chaleur.
Une solution pour répartir le plus uniformément possible les phases liquide et gazeuse du mélange consiste à les introduire séparément dans l’échangeur, puis à les mélanger entre elles seulement à l’intérieur de l’échangeur.
Les documents FR-A-2563620 ou WO-A-2018172644 décrivent de tels échangeurs dans lesquels une barre rainurée est insérée dans l’ensemble de passages destinée à canaliser le mélange à deux phases. Ce dispositif mélangeur comporte une série de canaux ou rainures séparés pour l’écoulement de la phase liquide du réfrigérant et une autre série de canaux séparés pour l’écoulement de la phase gazeuse du réfrigérant. Les canaux d’une série sont reliés fluidiquement à des canaux de l’autre série par des orifices de façon à ce qu’un mélange liquide-gaz, soit distribué en sortie du dispositif mélangeur vers la zone d’échange thermique. Chaque passage de fluide frigorigène de l’échangeur est muni d’un tel dispositif.
Un problème qui se pose avec ce type de dispositifs mélangeurs concerne la répartition inégale du mélange liquide-gaz dans la largeur des passages de l’échangeur.
En effet, le mélange à deux phases est distribué en sortie des canaux débouchant dans le passage. Comme les canaux sont disposés à une certaine distance les uns des autres, l’introduction du mélange liquide-gaz dans la zone d’échange se fait de façon discrète sur la largeur du passage. Au fur et à mesure que le fluide s’écoule suivant la direction globale d’écoulement dans l’échangeur, une répartition peut avoir lieu dans la direction orthogonale à la direction globale d’écoulement, notamment grâce aux ondes d’échanges employées généralement dans ce type d’échangeur telles que des ondes perforées ou de type « serrated » qui ont tendance à dévier une partie du fluide de sa direction d’écoulement.
Toutefois, l’homogénéisation de la distribution de fluide dans la largeur de l’échangeur n’est atteinte qu’après une certaine distance parcourue par le mélange après la sortie du dispositif mélangeur. Sur cette distance, le fluide alimente la zone d’échange avec des débits massiques inégaux selon la position considérée dans la largeur de l’échangeur. Certains canaux des ondes d’échange peuvent être peu, voire non alimentés. Les performances de l’échangeur sont dégradées. Dans certaines configurations, une homogénéisation acceptable peut même ne pas être atteinte. C’est notamment le cas lorsque la zone d’échange est munie d’ondes droites, avec lesquelles une répartition par déviation latérale du fluide n’est pas possible.
Les échangeurs travaillant sous des écarts de températures faibles entre les fluides calorigènes et frigorigènes sont d’autant plus sensibles à ce phénomène de maldistribution. De plus, le phénomène de distribution inhomogène s’accentue dans le cas d’un mélange réfrigérant à plusieurs constituants.
Aucune des solutions existantes n’est pleinement satisfaisante. Ainsi, l’agencement d’un espace libre en sortie du dispositif mélangeur pose des problèmes en termes de tenue mécanique de l’échangeur et peut conduire à une accumulation de la phase liquide dans cette zone. L’augmentation du nombre de canaux se succédant dans la largeur de l’échangeur conduit à diminuer le débit dans chaque canal et nuit à la bonne distribution du mélange en sortie. Enfin, l’agencement d’ondes du type « hardway » en sortie du dispositif mélangeur ou l’agencement de dispositifs mélangeurs à géométrie plus complexe augmente les pertes de charges ce qui dégrade les performances du procédé.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un échangeur de chaleur assurant une distribution plus homogène d’un mélange diphasique dans la largeur de l’échangeur.
La solution selon l’invention est alors un échangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques agencées parallèlement entre elles et à une direction longitudinale, lesdites plaques étant empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins un premier ensemble de passages configurés pour l’écoulement d’un premier fluide globalement suivant la direction longitudinale et au moins un deuxième ensemble de passages configurés pour l’écoulement d’un deuxième fluide à mettre en relation d’échange thermique avec le premier fluide, au moins un premier passage du premier ensemble comprenant un premier dispositif mélangeur et au moins un deuxième passage du premier ensemble comprenant un deuxième dispostif mélangeur, chacun des premier et deuxième dispositifs mélangeurs comprenant :
- au moins un canal latéral configuré pour l’écoulement d’une première phase du premier fluide à partir d’au moins une première entrée,
- une série de canaux longitudinaux s’étendant suivant la direction longitudinale et configurés chacun pour l’écoulement d’une deuxième phase du premier fluide à partir d’une deuxième entrée jusqu’à une deuxième sortie, lesdits canaux longitudinaux se succédant suivant une direction latérale orthogonale à la direction longitudinale, et
- au moins un orifice reliant fluidiquement ledit au moins un canal latéral à au moins un canal longitudinal de sorte que les premier et deuxième dispositif mélangeur sont configurés pour distribuer un mélange de la première phase et de la deuxième phase par les deuxièmes sorties de leurs canaux longitudinaux respectifs, caractérisé en ce que les canaux longitudinaux du premier dispositif mélangeur sont agencés, au moins en partie, à des positions suivant la direction latérale différentes des positions des canaux longitudinaux du deuxième dispositif mélangeur.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le deuxième dispositif mélangeur comprend deux bords longitudinaux s’étendant parallèlement à la direction longitudinale, chaque canal longitudinal du premier dispositif mélangeur étant intercalé, suivant la direction latérale, entre deux canaux longitudinaux successifs du deuxième dispositif mélangeur ou entre un canal longitudinal et un bord longitudinal du deuxième dispositif mélangeur.
- un seul canal longitudinal du premier dispositif mélangeur est intercalé, suivant la direction latérale, entre deux canaux longitudinaux successifs du deuxième dispositif mélangeur ou entre un canal longitudinal et un bord longitudinal du deuxième dispositif mélangeur.
- les canaux longitudinaux du premier dispositif mélangeur sont séparés les uns des autres d’une première distance constante et les canaux longitudinaux du deuxième dispositif mélangeur sont séparés les uns des autres d’une deuxième distance constante, de préférence la première distance et la deuxième distance sont égales.
- la série de canaux longitudinaux du deuxième dispositif mélangeur est décalée d’une distance de décalage, mesurée suivant la direction latérale, par rapport à la série de canaux longitudinaux du premier dispositif, de préférence la distance de décalage représente entre 25 et 75% de la première distance, de préférence la distance de décalage représente 50% de la première distance.
- la première distance et/ou la deuxième distance est comprise entre 10 et 40 mm, de préférence supérieure ou égale à 20 mm et inférieure ou égale à 30 mm.
- chacun des premier et deuxième passages présente un axe de symétrie longitudinal s’étendant parallèlement à la direction longitudinale, les canaux longitudinaux de chaque premier et deuxième dispositif mélangeur étant agencés de façon symétrique par rapport à l’axe de symétrie longitudinal.
- les positions suivant la direction latérale des canaux longitudinaux du deuxième dispositif mélangeur coincident, après une rotation de 180° dans le plan défini par la direction latérale et par la direction longitudinale, avec les positions suivant la direction latérale des canaux longitudinaux du premier dispositif.
- il comprend plusieurs premiers passages et deuxièmes passages agencés en alternance, au moins un passage du deuxième ensemble étant agencé entre au moins un premier passage et au moins un deuxième passage consécutif audit au moins un premier passage. - les canaux latéraux et/ou les canaux longitudinaux du premier dispositif mélangeur et du deuxième dispositif mélangeur sont de forme rectiligne, de préférence de forme parallélépipédique ou globalement parallélépipédique.
- les premier et deuxième dispositifs mélangeurs comprennent chacun une série de canaux latéraux s’étendant suivant la direction latérale et se succédant suivant la direction longitudinale.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de liquéfaction d’un courant comprenant des hydrocarbures tel que le gaz naturel en tant que deuxième fluide, ledit procédé mettant en œuvre au moins un échangeur selon l’invention et comprenant les étapes suivantes : a) introduction du courant d’hydrocarbures dans les passages du deuxième ensemble, b) introduction d’un courant réfrigérant dans un troisième ensemble de passages de l’échangeur de chaleur, c) sortie du courant réfrigérant de l’échangeur de chaleur et détente du courant réfrigérant à au moins un niveau de pression de façon à produire au moins un courant réfrigérant diphasique, d) séparation d’au moins une partie du courant réfrigérant diphasique issu de l’étape c) en une phase gazeuse et une phase liquide, e) introduction dans chacun des premier et deuxième passages du premier ensemble respectivement d’au moins une partie de la phase gazeuse et d’un moins une partie de la phase liquide par des entrées séparées desdits premier et deuxième passages, f) passage des phases introduites à l’étape e) dans des premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs de façon à obtenir un premier fluide formé d’un mélange de la première phase (61 ) et de la deuxième phase à la sortie de chacun des premier et deuxième dispositifs mélangeurs mélangeur, g) vaporisation d’au moins une partie du premier fluide issu de l’étape f) dans les premier et deuxième passages par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures refroidi et/ou au moins partiellement liquéfié en sortie de l’échangeur.
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.
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 figures ci-annexés, parmi lesquelles :
Fig. 1 schématise un échangeur de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 2 est vue schématique tridimensionnelle d’un premier dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 3 est vue schématique en coupe, dans un plan perpendiculaire aux plaques de l’échangeur, d’un premier dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 4 est vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un premier et d’un deuxième dispositifs mélangeurs selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 5 est vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un premier et d’un deuxième dispositifs mélangeurs selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 6 représente les résultats de simulations d’écoulement de fluide en sortie de dispositifs mélangeurs configurés selon l’art antérieur et de dispositifs configurés selon l’invention.
Fig. 7 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 8 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un autre mode de réalisation de l’invention. Fig. 1 est une vue en coupe d’un échangeur de chaleur 1 comprenant un empilement de plaques 2 (non visibles) qui s’étendent suivant deux dimensions, parallèlement à un plan défini par une direction longitudinale z et une direction latérale y. Les plaques 2 sont disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement et forment ainsi une superposition de passages pour des fluides en relation d’échange de chaleur indirect via lesdites plaques.
De préférence, chaque passage a une forme parallélépipédique et plate. L’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur, mesurée suivant la direction longitudinale z, et la largeur, mesurée suivant la direction latérale y, de chaque passage. L’échangeur 1 peut comprendre un nombre de plaques supérieur à 20, voire supérieur à 100, définissant entre elles un premier ensemble de premiers et deuxièmes passages 10A, 10B (les passages 10B ne sont pas visibles sur Fig. 1) pour canaliser au moins un premier fluide F1, et un deuxième ensemble de passages 20 (non visible sur Fig. 1) pour canaliser au moins un deuxième fluide F2, l’écoulement desdits fluides ayant lieu globalement suivant la direction z. Les passages 10A, 10B peuvent être agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages 20. L’échangeur 1 peut comprendre un troisième ensemble de passages, voire plus, pour l’écoulement d’un ou plusieurs fluides supplémentaires. Ces ensembles de passages sont superposés les uns aux autres formant un empilement de passages.
L’étanchéité des passages 10A, 10B, 20 le long des bords des plaques 2 est généralement assurée par des bandes d’étanchéité latérales et longitudinales 4 fixées sur les plaques 2. Les bandes d’étanchéité latérales 4 n’obturent pas complètement les passages 10A, 10B, 20 mais laissent avantageusement des ouvertures d’entrée et de sortie de fluide situées dans les coins diagonalement opposés des passages.
Les ouvertures des passages 10A, 10B du premier ensemble sont disposées en coïncidence l’une au-dessus de l’autre, tandis que les ouvertures des passages 20 du deuxième ensemble sont disposées dans les coins opposés. Les ouvertures placées l’une au-dessus de l’autre sont réunies respectivement dans des collecteurs de forme semi-tubulaire 40, 45, 52, 55, par lesquels s’effectuent la distribution et l’évacuation des fluides dans et depuis les passages 10A, 10B, 20.
Notons que des configurations d’introduction et de sortie des fluides autres que celle selon Fig. 1 peuvent être utilisées. Les ouvertures des passages peuvent ainsi être disposées à d’autres positions dans la largeur de l’échangeur, en particulier au centre de la largeur de l’échangeur, et/ou à d’autres positions dans la longueur de l’échangeur. Dans la représentation de Fig. 1, les collecteurs semi-tubulaires 52 et 45 servent à l’introduction des fluides dans l’échangeur 1 et les collecteurs semi-tubulaires 40, 55 servent à l’évacuation de ces fluides hors de l’échangeur 1.
Dans cette variante de réalisation, le collecteur d’alimentation d’un des fluides et le collecteur d’évacuation de l’autre fluide sont situés à une même extrémité de l’échangeur, les fluides F1 , F2 circulant ainsi à contre-courant dans l’échangeur 1.
Selon une autre variante de réalisation, les premier et deuxième fluides peuvent également circuler à co-courant, les moyens d’alimentation d’un des fluides et les moyens d’évacuation de l’autre fluide étant alors situés à des extrémités opposées de l’échangeur 1.
De préférence, la direction z est orientée verticalement lorsque l’échangeur 1 est en fonctionnement. Le premier fluide F1 s’écoule globalement verticalement et dans le sens ascendant. D’autres directions et sens d’écoulement des fluides F1 , F2 sont bien entendu envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention.
A noter que dans le cadre de l’invention, un ou plusieurs deuxièmes fluides F2 de natures différentes peuvent s’écouler au sein des passages 20 du deuxième ensemble.
De préférence, le premier fluide F1 est un fluide frigorigène et le deuxième fluide F2 est un fluide calorigène.
L’échangeur comprend avantageusement des ondes de distribution 51 , 54, agencées entre deux plaques 2 successives sous forme de tôles ondulées, qui s’étendent à partir des ouvertures d’entrée et de sortie. Les ondes de distribution 51 , 54 assurent la répartition uniforme et la récupération des fluides sur toute la largeur des passages 10A, 10B, 20.
En outre, les passages 10A, 10B, 20 comprennent avantageusement des structures d’échange thermique disposées entre les plaques 2. Ces structures ont pour fonction d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur et d’augmenter les coefficients d’échange entre les fluides en rendant les écoulements plus turbulents. En effet, les structures d’échange thermique sont en contact avec les fluides circulant dans les passages et transferrent des flux thermiques par conduction jusqu’aux plaques 2 adajcentes, auxquelles elles peuvent être fixées par brasage, ce qui augmente la résistance mécanique de l’échangeur.
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.
De préférence, ces structures comprennent des ondes d’échange thermique 11 qui s’étendent avantageusement suivant la largeur et la longueur des passages 10A, 10B, 20, parallèlement aux plaques 2, dans le prolongement des ondes de distribution selon la longueur des passages. Les passages 10A, 10B, 20 de l’échangeur présentent ainsi une partie principale de leur longueur constituant la partie d’échange thermique proprement dite, qui est garnie d’une structure d’échange thermique, ladite partie principale étant bordée par des parties de distribution garnies des ondes de distribution 51 , 54.
Fig. 1 montre un premier passage 10A du premier ensemble configuré pour l’écoulement d’un premier fluide F1 se présentant sous la forme d’un mélange à deux phases, encore appelé mélange diphasique. Le premier ensemble comprend plusieurs premier passages 10A de ce type ainsi que plusieurs deuxièmes passages 10B superposés aux premiers passages et de structure similaire à celle des premiers passages 10A. Le premier fluide F1 est séparé dans un dispositif séparateur 6 en une première phase 61 et une deuxième phase 62 introduites séparément dans l’échangeur 1 par l’intermédiaire d’un premier collecteur 30 et d’un deuxième collecteur 52 distincts. De préférence, la première phase 61 est liquide et la deuxième phase 62 est gazeuse.
Les première et deuxième phases 61 , 62 sont ensuite mélangées l’une avec l’autre au moyen d’un premier dispositif mélangeur 3A agencé dans au moins un premier passage 10A. Avantageusement, plusieurs premiers passages 10A, voire la totalité des passages 10A du premier ensemble comporte un premier dispositif mélangeur 3A. De la même façon, les première et deuxième phases 61 , 62 sont mélangées l’une avec l’autre au moyen d’un deuxième dispositif mélangeur 3B agencé dans au moins un deuxième passage 10B. Avantageusement, plusieurs deuxièmes passages 10B, voire la totalité des passages 10B du premier ensemble comporte un deuxième dispositif mélangeur 3B. Les collecteurs semi-tubulaires 52 et 55 sont reliées fluidiquement aux entrées et sorties des passages 10A et 10B. Le premier collecteur 30 est relié fluidiquement à au moins une première entrée 311 A, 311 B de chacun des premier et deuxième dispositifs mélangeurs 3A, 3B. Le deuxième collecteur 52 est relié fluidiquement à au moins une deuxième entrée 321 A, 321 B de chacun des premier et deuxième dispositifs mélangeurs 3A, 3B.
Notons que Fig. 1 illustre un dispositif mélangeur 3A positionné à une certaine distance de la zone de distribution 51 de l’échangeur 1. Selon une variante de réalisation, le premier dispositif mélangeur 3A peut être positionné directement après la zone de distribution, soit juxtaposé à ladite zone, soit en étant formé d’un seul tenant avec la zone de distribution . Selon cette dernière possibilité, le dispositif mélangeur forme une pièce monolithique, qui peut être fabriqué par usinage conventionnel ou par fabrication additive, i. e. par impression 3D, par exemple par frittage laser. Fig. 2 est une vue tridimensionnelle d’un premier dispositif mélangeur 3A se composant avantageusement d’une barre, ou baguette, logée dans un premier passage 10A. Le deuxième dispositif mélangeur 3B peut présenter tout ou parties des caractéristiques décrites pour le premier dispositif 3A.
Le premier dispositif mélangeur 3A s’étend de préférence dans la section du passage 10 sur la quasi-totalité, voire la totalité, de la hauteur du premier passage 10A, de sorte que le dispositif mélangeur est en contact avec chaque plaque 2 formant le premier passage 10A.
Le premier dispositif mélangeur 3A est avantageusement fixé aux plaques 2 par brasage.
Le premier dispositif mélangeur 3A est avantageusement de forme générale parallélépipédique.
De préférence, le premier dispositif mélangeur 3A est une pièce monolithique, i. e. formée d’un bloc ou d’un seul tenant. Le premier dispositif mélangeur 3A peut être fabriqué par usinage conventionnel ou par fabrication additive. Le premier dispositif mélangeur 3A peut présenter, parallèlement à la direction longitudinale z, une première dimension comprise entre 20 et 200 mm et, parallèlement à la direction latérale y, une deuxième dimension comprise entre 100 et 1400 mm.
Le premier dispositif mélangeur 3A comprend au moins un canal latéral 31A configuré pour l’écoulement de la première phase 61 du premier fluide F1 à partir d’au moins une première entrée 311 A. De préférence, le canal latéral 31 A s’étend parallèlement à la direction latérale y.
Il comprend en outre une série de canaux longitudinaux 32A s’étendant parallèlement à la direction longitudinale z et configurés pour l’écoulement de la deuxième phase 62 du premier fluide F1 à partir d’une deuxième entrée 321A jusqu’à une deuxième sortie 322A, lesdits canaux longitudinaux étant agencés à des positions successives y,, yi+i,... suivant une direction latérale y.
De préférence, le latéral canal 31 A s’étend sur toute la deuxième dimension et/ou le canal longitudinal 32A s’étend sur toute la première dimension.
De préférence, le dispositif mélangeur 3A comprend au moins une première entrée 311 A en communication fluidique avec le premier collecteur 30 et une deuxième entrée 321 A, séparée, i. e. distincte, de la première entrée 311 A, en communication fluidique avec le deuxième collecteur 52. Le premier collecteur 30 est relié fluidiquement à une source de première phase 61 et le deuxième collecteur 52 est relié fluidiquement à une autre source de deuxième phase 62. Ladite au moins une première entrée 311A et ladite au moins une deuxième entrée 321A sont mises en communication fluidique via au moins un orifice 34. Les première et deuxième entrées sont avantageusement formées en faisant déboucher les canaux latéraux et longitudinaux au niveau des bords périphériques latéraux et longitudinaux des dispositifs 3A, 3B.
Fig. 2 montre une introduction de la première phase 61 par une extrémité du dispositif 3A comprenant plusieurs premières entrées 311A. Selon une réalisation avantageuse, le premier dispositif mélangeur 3A comprend au moins une autre première entrée pour la première phase 61 situées à une extrémité opposé du dispositif 3A. Avantageusement, ces autres entrées sont obtenues en prolongeant les canaux latéraux 31 A, 31 B jusqu’à ce qu’ils débouchent au niveau d’un bord latéral opposé de l’échangeur 1. Dans ce cas, un autre premier collecteur 30 est agencé sur un côté opposé de l’échangeur 1. L’introduction de la première phase 61 de part et d’autre du dispositif mélangeur permet de réduire l’effet des pertes de charge lors de l’écoulement de la première phase dans les canaux latéraux, ce qui favorise une répartition plus homogène du mélange diphasique sur la largeur de l’échangeur.
De préférence, le premier dispositif mélangeur 3A comprend un volume mélangeur situé dans le canal longitudinal 32A, en aval de l’orifice 34 en suivant le sens d’écoulement de la première phase 61 dans l’orifice 34
Le canal latéral 31 A est relié fluidiquement à au moins un canal longitudinal 32A de sorte que, lorsque la première phase 61 s’écoule dans le canal latéral 31 A et la deuxième phase 62 s’écoule dans le canal longitudinal 32A, le premier dispositif mélangeur 3A distribue par une deuxième sortie 322A du canal 32A un mélange de la première phase 61 et de la deuxième phase 62, de préférence un mélange à deux phases liquide-gaz F1. De préférence, le canal longitudinal et/ou le canal latéral ont des formes globalement rectilignes.
Les canaux 31 A, 32A se présentent avantageusement sous la forme d’évidements longitudinaux ménagés dans le dispositif mélangeur 3. Ils sont de préférence débouchants au niveau des surfaces supérieure 3a et inférieure 3b du dispositif mélangeur 3A.
De préférence, les canaux 31 A, 32A ont une section transversale de forme carré ou rectangulaire mais peuvent éventuellement présenter d’autres forme (rond, portion de rond,...). Les orifices 34 sont avantageusement des perçages 34 pratiqués dans la matière du dispositif 3A et s’étendant entre le canal latéral 31 A et le canal longitudinal 32A, de préférence dans le plan formé par les directions x et y, les orifices 34 pouvant être inclinés par rapport à la direction x ou, de préférence, être alignés avec la direction verticale x. De préférence, les orifices 34 sont à symétrie cylindrique, de préférence encore de forme cylindrique.
De préférence, ledit au moins un canal latéral 31 A comprend une paroi de fond 3c et ledit au moins un canal longitudinal 32A comprend une paroi de sommet 3d qui s’étend en regard de la paroi de fond 3c, les orifices 34 étant percés dans la paroi de fond du canal latéral 31 et débouchant dans la paroi de sommet du canal longitudinal 32A.
Fig. 3 est une vue du dispositif mélangeur 3A de Fig. 2 dans un plan de coupe orthogonal à la direction latérale y et passant par l’orifice 34.
Par commodité, il est habituel d’agencer dans les passages 10A, 10B du premier ensemble des dispositifs mélangeurs ayant la même géométrie, en particulier des canaux longitudinaux agencés aux mêmes positions suivant la direction latérale y.
En sortie de chaque canal longitudinal, l’écoulement du mélange à deux phases du premier fluide F1 a lieu préférentiellement suivant la direction longitudinale z, avec une expansion progressive dans la largeur du passage. L’homogénéisation des écoulements dans chaque passage n’est obtenue qu’au-delà d’une certaine distance parcourue par le mélange. Ce défaut d’homogénéisation du mélange F1 a lieu dans tout l’empilement de passages 10A, 10B du premier ensemble.
Afin de résoudre ces problèmes, la présente invention propose d’agencer respectivement dans un premier passage 10A et dans un deuxième passage 10B du premier ensemble, un premier dispositif mélangeur 3A et un deuxième dispositif 3B de configuration différente avec au moins une partie, de préférence la totalité, des canaux longitudinaux 32A du premier dispositif mélangeur 3A positionnés, suivant la direction latérale y, à des positions différentes de celles des canaux longitudinaux 32B du premier dispositif mélangeur 32B. Notons que par « au moins une partie », on entend un ou plusieurs ou la totalité des canaux longitudinaux 32A de la série.
Cela permet de distribuer le mélange à deux phases du fluide F1 en des points répartis différemment dans la largeur de l’échangeur. Ainsi, en considérant l’ensemble formé par le premier passage 10A et le deuxième passage 10B, l’homogénéisation du mélange diphasique vu par le deuxième fluide est globalement améliorée. En effet, en considérant les sorties des canaux longitudinaux 32A et les sorties des canaux longitudinaux 32B comme agencées dans un même plan, les distances qui séparent un canal du suivant, mesurées suivant la direction latérale y, peuvent être réduites. Alors que dans l’art antérieur, i. e. deux dispositifs mélangeurs avec positions de canaux identiques, les distances séparant un canal du suivant sont nécessairement égales à la distance inter-canal de chaque dispositif. Notons qu’avec l’invention, il est possible d’obtenir une meilleure homogénéisation, sans que le débit de fluide dans chaque canal longitudinal ne soit affecté ou significativement affecté.
Grâce à l’invention, les disparités de débit de mélange dans la largeur de l’échangeur sont réduites, voire éliminées, après une distance de propagation plus courte du mélange en aval des dispositifs mélangeurs. Les échanges thermiques entre le mélange diphasique et le deuxième fluide F2, et de là le fonctionnement de l’échangeur, sont améliorés.
En outre, la tenue mécanique de l’échangeur, lors de son brasage ou en fonctionnement, est améliorée. En effet, les canaux 32A et 32B ne sont plus positionnés de façon superposées dans l’empilement de l’échangeur et le manque de matière résultant des canaux 32A et 32B se trouve mieux réparti, ce qui rigidifie l’empilement. En outre, les contraintes thermiques sont réduites du fait d’une meilleure répartition du mélange diphasique vu par le deuxième fluide.
De préférence, le premier ensemble de passages pour l’écoulement du mélange à deux phases comprend plusieurs premiers passages 10A et plusieurs deuxièmes passages 10B comprenant des premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs configurés selon l’invention. Les premiers passages 10A et deuxièmes passages 10B sont avantageusement positionnés en alternance au sein de l’empilement de passages formant l’échangeur.
De préférence, au moins un passage 20 du deuxième ensemble est agencé entre au moins un premier passage 10A et au moins un deuxième passage 10B consécutif audit au moins un premier passage 10A. En particulier, l’empilement de passages pourra présenter le schéma d’alternance suivant : premier passage 10A, passage 20, deuxième passage 10B, passage 20, premier passage 10A, passage 20... On minimise ainsi le nombre de passages frigorigènes. Selon une autre possibilité, l’empilement de passages pourra présenter le schéma d’alternance suivant : premier passage 10A, deuxième passage 10B, passage 20, premier passage 10A, deuxième passage 10B, passage 20, ... La présente invention permet une meilleure homogénéisation de l’apport frigorifique global du mélange diphasique au deuxième fluide calorigène et donc une amélioration des performances de l’échangeur.
Fig. 4 et Fig. 5 représentent des modes de réalisation de premier et deuxième dispositif 3A, 3B selon l’invention. Notons que les dispositifs 3A, 3B sont représentés côte à côte dans le même plan mais, qu’en fonctionnement, ils sont agencés dans des passages 10A, 10B distincts superposés dans la direction x, de préférence ils sont situés à une même position suivant la direction longitudinale z. Le positionnement des canaux longitudinaux 32A, 32B au sein des dispositifs 3A, 3B est schématisé par des lignes verticales. L’axe AA représente l’axe de symétrie longitudinal de chaque passage 10A, 10B dans le plan formé par les directions y et z.
Fig. 4 et Fig. 5 représentent schématiquement les canaux longitudinaux sous forme de lignes. Notons que les positions y,, y,+i, yi+2... de chaque canal suivant la direction latérale y peuvent être déterminées en considérant la position du centre de chaque canal suivant la direction latérale y. Par exemple, en considérant des canaux sous forme de rainures parallélépipédiques ou globalement parallélépipédiques telles que représentées sur Fig. 2, la position d’un canal suivant la direction y correspond à la position de l’axe de symétrie du canal situé à égale distance des parois latérales du canal, comme on le voit sur Fig. 2.
De préférence, les canaux longitudinaux 32A du premier dispositif mélangeur 3A sont séparés les uns des autres d’une première distance DA constante et les canaux longitudinaux 32B du deuxième dispositif mélangeur 3B sont séparés les uns des autres d’une deuxième distance DB constante. Les distance DA, DB sont mesurées parallèlement à la direction longitudinale y.
De préférence, la première distance DA et la deuxième distance DB sont égales.
La première distance DA et/ou la deuxième distance DB peuvent être comprises entre 10 et 40 mm, de préférence supérieures ou égales à 20 mm et inférieures ou égales à 30 mm.
De préférence, les dispositifs mélangeurs 3A, 3B sont chacun délimités par deux bords longitudinaux 3e.
De préférence, les dispositifs mélangeurs 3A, 3B sont dimensionnés de façon à recouvrir au moins en partie, de préférence en totalité, les bandes d’étanchéité longitudinales 4 qui assurent l’étanchéité des passages le long de la direction longitudinale z. Les dispositifs mélangeurs 3A, 3B présentent ainsi une largeur utile Ly qui est inférieure à la distance entre les deux bords longitudinaux 3e et qui correspond à la largeur des dispositifs mélangeurs exposée au fluide, c’est-à-dire la largeur du passage 10A ou 10B. Les dispositifs mélangeurs 3A, 3B présentent une zone utile de largeur Ly qui s’étend entre deux extrémités 81 et des zones de recouvrement 80 qui s’étendent au-delà des passages 10A, 10B et dont la largeur correspond avantageusement à celle des bandes d’étanchéité latérales 4, comme montré sur Fig. 1. Un tel arrangement assure la rigidité de l’empilement et une meilleure tenue mécanique de l’assemblage brasé.
De préférence, chaque canal longitudinal 32A du premier dispositif mélangeur 3A est intercalé, suivant la direction latérale y, entre deux canaux longitudinaux 32B successifs du deuxième dispositif mélangeur 3B ou entre un canal longitudinal 32B et un bord longitudinal 3e du deuxième dispositif mélangeur 3B.
De préférence, un seul canal longitudinal 32A du premier dispositif mélangeur 3A est intercalé, suivant la direction latérale y, entre deux canaux longitudinaux 32B successifs du deuxième dispositif mélangeur 3B ou entre un canal longitudinal 32B et un bord latéral 3e du deuxième dispositif mélangeur 3B.
De préférence, à chaque paire de canaux longitudinaux 32B successifs du deuxième dispositif mélangeur 3B correspond un canal longitudinal 32A du premier dispositif mélangeur 3A intercalé entre les canaux de ladite paire, avec éventuellement un canal longitudinal 32A du premier dispositif mélangeur 3A intercalé entre un canal longitudinal 32B et un bord latéral 3e du deuxième dispositif mélangeur 3B.
De préférence, la série de canaux longitudinaux 32B du deuxième dispositif mélangeur 3B est décalée d’une distance de décalage Dy prédéterminée, mesurée suivant la direction latérale y, par rapport à la série de canaux longitudinaux 32A du premier dispositif 3A.
De préférence la distance de décalage Dy représente entre 25 et 75% de la première distance DA, de préférence la distance de décalage Dy est de l’ordre de 50% de la première distance DA. L’expression « de l’ordre » signifie 50% ou environ 50%, avec une variation de plus ou moins 10% autour de cette valeur.
Dans la configuration selon Fig. 4, les premier et deuxième dispositifs mélangeurs sont de structure identique, un des dispositifs mélangeurs étant tourné de 180° par rapport à l’autre dans le plan formé par les directions y et z avant d’être monté dans son passage. L’avantage de cette configuration est de n’avoir à fabriquer qu’un type de dispositif mélangeur, la répartition différente des canaux longitudinaux 32A, 32B étant obtenue par un simple retournement du dispositif dans le plan formé par les directions y et z. Avantageusement, les distances DA et DB sont égales et le décalage Dy est égal à la moitié de DA. Le nombre de canaux longitudinaux 32A, 32B des premier et deuxième dispositifs mélangeur est identique. Les canaux longitudinaux 32A, 32B sont agencés de sorte que, pour l’un des dispositifs mélangeurs, le premier canal longitudinal de la série est situé à une distance DA d’une extrémité 81 de la zone utile et le dernier canal longitudinal 32A de la série est situé à une distance DA/2 de l’extrémité 81 opposée de la zone utile, et inversement pour l’autre dispositif mélangeur.
Fig. 5 représente une variante de réalisation dans laquelle les canaux longitudinaux des premier et deuxième passages 10A, 10B sont disposés de façon symétrique par rapport à l’axe de symétrie AA de l’échangeur. L’avantage de cette configuration est de conserver des points de distribution du mélange diphasique répartis de façon symétrique dans la largeur de l’échangeur. Avantageusement, les distances DA et DB Sont égales et le décalage Dy est égal à la moitié de DA. Un des premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs présente un canal longitudinal supplémentaire par rapport à l’autre dispositif mélangeur. Les canaux longitudinaux 32A, 32B sont agencés de sorte que, pour l’un des dispositifs mélangeurs, le premier canal longitudinal et le dernier canal longitudinal 32A de la série sont situés à une distance DA de chaque extrémité 81 opposée de la zone utile. Pour l’autre dispositif mélangeur, le premier canal longitudinal et le dernier canal longitudinal de la série sont situés à une distance DA/2 des extrémités 81 opposées de la zone utile. La largeur utile Ly des dispositifs mélangeurs est un multiple de la distance DA.
Selon une réalisation préférée, les premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs 3A, 3B sont agencés dans leurs passages 10A, 10B respectifs de sorte que leurs surfaces inférieures 3b au niveau desquelles débouchent leurs canaux longitudinaux 32A, 32B sont toutes orientées suivant la direction verticale x ou, comme illustré notamment sur Fig. 3, sont toutes orientées suivant une direction opposée à la direction verticale x.
Selon une variante de réalisation, au moins un des premiers dispositifs mélangeurs 3A présentent une surface inférieure 3b orientée dans une direction opposée par rapport à la direction d’orientation de la surface inférieure 3b d’au moins un deuxième dispositif mélangeur 3B et/ou d’au moins un autre premier dispositif mélangeur 3A, c’est-à-dire qu’au moins un premier dispositif mélangeur est retourné, avant d’être agencé dans son passage, de 180° autour d’un axe parallèle à la direction y. Cela permet d’orienter l’écoulement du mélange à deux phases vers certains passages adjacents 20 du deuxième ensemble afin de privilégier un échange thermique avec certains fluides calorigènes plutôt que d’autres. On peut par exemple envisager une alternance d’orientation des surfaces inférieures 3b des premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs se succédant dans l’empilement de passages.
La description ci-dessus est faite en considérant deux configurations de dispositifs mélangeurs, étant entendu que trois, voire plus, configurations peuvent être mises en œuvre et comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques étant applicables. En particulier, les canaux longitudinaux des dispositifs mélangeurs supplémentaires sont agencés, suivant la direction latérale y, à des positions différentes de celles des premier et deuxième dispositifs mélangeurs. En particulier, dans le cas de trois dispositifs mélangeurs différents, l’échangeur comprendrait un troisième dispositif mélangeur 3C avec des canaux longitudinaux 32C, des canaux longitudinaux du premier dispositif mélangeur 3A et du deuxième dispositif mélangeur 3B étant intercalés, suivant la direction latérale y, entre deux canaux longitudinaux 32C successifs du troisième dispositif ou entre un canal longitudinal 32C et un bord longitudinal du troisième dispositif 3C.
Afin d’illustrer l’effet d’homogénéisation globale obtenu avec l’invention, Fig. 6 montre les résultats de simulations de la propagation d’un mélange à deux phases dans un échangeur comprenant un arrangement conventionnel de passages avec le même type de dispositifs mélangeurs (configuration A), et un arrangement de passages avec des premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs configurés selon l’invention (configuration B).
Dans la configuration A, chaque passage du premier ensemble comprenait un dispositif mélangeur sous la forme d’une barre rainurée comportant, en tant que canaux longitudinaux, une série de rainures de forme parallélépipédique se succédant à intervalles réguliers de 30 mm et, en tant que canaux latéraux, une série de rainures de forme parallélépipédique reliées fluidiquement aux canaux longitudinaux par un unique orifice par canal longitudinal. La géométrie des orifices était identique pour l’ensemble des canaux longitudinaux. Les canaux longitudinaux de chaque dispositif mélangeur étaient agencés en même nombre et à des positions identiques y,, yi+i,... suivant la direction latérale y. Dans la configuration B, des premiers et deuxième dispositifs mélangeurs étaient agencés en alternance dans les passages du premier ensemble de passages de l’échangeur. Les premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs étaient sous la forme de barres rainurées identiques à celles de la configuration A, en particulier avec des rainures positionnées à des distances DA = DB = 30 mm les unes des autres, hormis que la série de rainures formant les canaux longitudinaux du deuxième dispositif mélangeur était décalée d’une distance Dy = DA/2 par rapport à la série de rainures formant les canaux longitudinaux du premier dispositif mélangeur.
Dans les configurations A et B, des ondes de type « serrated », i. e. à décalage partiel, étaient agencées en sortie des dispositifs mélangeurs dans chaque passage. Ces ondes étaient du type « 1/8 ” serrated » (1”=1 pouce= 25,4 mm), c’est-à-dire avec une longueur de serration de 25,4/8=3, 18 mm et présentaient des ondulations avec une densité de 24 ailettes par pouce (1 pouce=25,4 millimètres), mesurée suivant la direction latérale y. Une hypothèse de la simulation étant que le débit de mélange était divisé en deux parts égales à chaque changement de serration des ondes.
Fig. 6 montre les débits massiques adimensionnés obtenus suivant la direction latérale y et ce à une distance de propagation de 200 mm, suivant la direction longitudinale z, après la sortie des canaux longitudinaux et en moyennant les débits sur l’ensemble des passages du premier ensemble de l’échangeur. On constate que l’amplitude de la variation de débit dans la largeur de l’échangeur est réduite dans la configuration B selon l’invention.
Fig. 7 et Fig. 8 montrent des exemples de procédés mettant en œuvre un ou plusieurs échangeurs selon l’invention.
Fig. 7 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures 102 en tant que deuxième fluide F2, pouvant être du gaz naturel, éventuellement pré-traité, par exemple ayant subi une séparation d’au moins un des constituants suivants : eau, dioxyde de carbone, composés soufrés, méthanol, mercure, avant son introduction dans l’échangeur de chaleur 1.
De préférence, le courant d’hydrocarbures comprend, en fraction molaire, au moins 60% de méthane, de préférence au moins 80%.
Le courant d’hydrocarbures 102 et le courant réfrigérant 202 entrent dans l'échangeur 1 respectivement par une troisième entrée 25 et une quatrième entrée 21 pour y circuler dans des passages dédiés de l’échangeur selon des directions parallèles à la direction longitudinale z, qui est sensiblement verticale en fonctionnement. Le courant d’hydrocarbures 102 circule dans les passages 20 du deuxième ensemble alimenté par la troisième entrée 25. Le courant réfrigérant 202 circule dans un troisième ensemble de passages disposés au sein de l’empilement formant l’échangeur 1. Ces courants ressortent par une troisième sortie 22 et une première sortie 23. Les passages du deuxième et du troisième ensemble sont agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages 10A, 10B du premier ensemble.
Avantageusement, la quatrième entrée 21 pour le courant réfrigérant 202 et la troisième entrée 25 pour le courant d’hydrocarbures 102 sont agencées de sorte que le courant réfrigérant 202, et éventuellement le courant d’hydrocarbures 102, s’écoulent à co-courant dans le sens descendant, en direction d’une deuxième extrémité 1 b de l’échangeur qui est située à un niveau inférieur à celui d’une première extrémité 1a dudit échangeur. De préférence, la première extrémité 1a correspond au bout chaud de l’échangeur 1 , i. e. le point d’entrée de l’échangeur ou un fluide est introduit à la température la plus élevée des températures de l’échangeur, ce point d’entrée pouvant être la quatrième entrée 21 ou la troisième entrée 25 selon le procédé.
Le courant d’hydrocarbures 102 peut être introduit dans l’échangeur 1 à une température comprise entre -130 et 40 °C.
Selon une possibilité, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit à l’état totalement gazeux ou partiellement liquéfié dans l’échangeur 1 à une température comprise entre -80 et -35 °C.
Selon une autre possibilité, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit totalement liquéfié dans l’échangeur 1 à une température comprise entre -130 et -100 °C.
Le courant réfrigérant 201 sortant de l'échangeur 1 est détendu par un organe de détente T3, tel une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne, de façon à former un courant réfrigérant 203 diphasique comprenant une phase liquide et une phase gazeuse. Le courant réfrigérant 203 diphasique forme le premier fluide F1 considéré précédemment. Au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 issu de la détente est introduit dans un organe séparateur 27. L’organe séparateur peut être tout dispositif adapté pour séparer un fluide diphasique en un courant gazeux d’une part et un courant liquide d’autre part.
La phase gazeuse 62 est introduite par le collecteur 52 qui alimente les deuxièmes entrées 321 A, 321 B des premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs 3A, 3B agencés dans les premiers et deuxièmes passages 10A, 10B du premier ensemble. La phase liquide 61 est introduite par le premier collecteur 30 qui alimente les premières entrées 311 A, 311 B des premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs 3A, 3B (non illustrés sur Fig. 7).
De préférence, la phase gazeuse est introduite par une entrée située dans la région de la deuxième extrémité 1 b correspondant au bout froid de l’échangeur 1 , i. e. le point d’entrée dans l’échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse des températures des fluides dans l’échangeur.
Les deux phases 61 , 62 du courant diphasique 203 sont recombinées au sein de l’échangeur 1 et distribuées à l’état de mélange liquide-gaz dans les premiers 10A et deuxièmes 10B passages de l'échangeur 1 munis respectivement de premiers 3A et deuxièmes 3B dispositifs mélangeurs selon l’invention.
De préférence, le courant réfrigérant diphasique 203 est introduit dans l’échangeur de chaleur 1 à une première température T1 comprise entre -120 et -160 °C et sort de l’échangeur de chaleur 1 à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1 , de préférence avec T2 comprise entre -35 et -130 °C.
Selon une autre possibilité, le courant réfrigérant diphasique 203 est introduit dans l’échangeur de chaleur 1 à une première température T1 comprise entre -130 et -80 °C et sort de l’échangeur de chaleur 1 à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1 , de préférence avec T2 comprise entre -10 et 50 °C.
Ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 s’écoule dans les passages 10A, 10B en sens ascendant et est vaporisé en réfrigérant à contre-courant le gaz naturel 102 et le courant réfrigérant 202. On obtient ainsi un courant d’hydrocarbures refroidi et/ou au moins partiellement liquéfié 101 en sortie de l’échangeur 1.
Le courant réfrigérant vaporisé sort de l'échangeur 1 par une deuxième sortie 42 reliée au collecteur 55 pour être comprimé par un compresseur puis refroidi dans un échangeur de chaleur indirect par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air (en 26 sur Fig. 1 ). La pression du courant réfrigérant en sortie du compresseur peut être comprise entre 2 MPa et 9 MPa. La température du courant réfrigérant à la sortie de l'échangeur de chaleur indirect peut être comprise entre 10 °C et 45 °C.
Dans le procédé décrit par Fig. 7, le courant réfrigérant n'est pas scindé en fractions séparées, mais, pour optimiser l'approche dans l'échangeur 1 , le courant réfrigérant peut également être séparé en deux ou trois fractions, chaque fraction étant détendue à un niveau de pression différent puis envoyé à différents étages du compresseur.
De préférence, le courant réfrigérant 202 contient des hydrocarbures ayant un nombre d’atomes de carbone d’au plus 5, de préférence au plus trois, de préférence encore au plus deux.
De préférence, le courant réfrigérant 202 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, du butane, de l’isobutane, du n-butane, du pentane, de l’isopentane, du n-pentane et/ou de l’éthylène.
Les proportions en fractions molaires (%) des composants du courant réfrigérant peuvent être:
- Azote: 0 % à 10 %
- Méthane: 20 % à 70 %
- Ethane: 30 % à 70 %
- Ethylène : 20 à 70 %
- Propane: 0 % à 20 %
- n-butane : 0 % à 30 %
- Isopentane : 0% à 20 %
Eventuellement, le courant réfrigérant peut comprendre, en remplacement de l’éthane, de l’éthylène et, en remplacement de tout ou partie du propane, des composés du type C4, C5.
De préférence, le gaz naturel sort au moins partiellement liquéfié 101 de l'échangeur 1 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 1 à une température comprise entre -100 °C et -162 °C et à une pression comprise entre 2 MPa et 7 MPa. Dans ces conditions de température et de pression, et selon sa composition, le gaz naturel ne reste généralement pas liquide après une détente jusqu'à la pression atmosphérique.
Avantageusement, le procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon l’invention peut mettre en oeuvre un ou plusieurs cycles de réfrigération supplémentaires réalisés en amont du cycle de réfrigération principal décrit précédemment, de façon à réaliser un pré-refroidissement du courant d’hydrocarbures.
Fig. 8 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel comportant un cycle de réfrigération supplémentaire dans lequel le gaz naturel est refroidi jusqu’à une température proche de son point de rosée à l’aide d’au moins deux niveaux de détente différents pour augmenter l’efficacité du cycle. Ce cycle de réfrigération supplémentaire est opéré au moyen d’un courant réfrigérant supplémentaire 300 dans un échangeur de chaleur supplémentaire 2, dit échangeur de pré-refroidissement, agencé en amont de l’échangeur de chaleur 1 dans le sens de l’écoulement du courant d’hydrocarbures 110, qui forme alors l’échangeur de liquéfaction.
Dans ce mode de réalisation, un courant d’alimentation 110 arrive par exemple à une pression comprise entre 2,5 MPa et 7 MPa et à une température comprise entre 20 °C et 60 °C. Le courant d’alimentation 110 comprenant un mélange d’hydrocarbures tel que le gaz naturel, le courant réfrigérant 202, un courant réfrigérant supplémentaire 300 entrent dans l’échangeur supplémentaire 2 pour y circuler selon des directions parallèles et à co-courant dans le sens descendant.
Un courant d’hydrocarbures 102 refroidi, voire au moins partiellement liquéfié, sort de l'échangeur de pré-refroidissement 2. De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 sort à l’état gazeux ou partiellement liquéfié, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le courant réfrigérant 202 peut aussi sortir totalement condensé de l'échangeur 2, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le courant 102 est ensuite introduit dans l’échangeur 1 .
Comme on le voit sur Fig. 8, le courant 203 est vaporisé dans l'échangeur 1 et en sort pour être comprimé par le compresseur K2 puis refroidi 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 courant réfrigérant issu de l'échangeur C2 est ensuite renvoyé dans l’échangeur supplémentaire 2.
Le courant réfrigérant supplémentaire 300 peut être formé par un mélange d'hydrocarbures tels qu'un mélange d'éthane et de propane, mais peut également contenir du méthane, de l’éthylène, du propylène, du butane et/ou du pentane. Les proportions en fraction molaires (%) des composants du premier mélange réfrigérant peuvent être:
- Ethane: 30 % à 70 %
- Propane: 30 % à 70 % - Butane: 0 % à 20 %
Dans l’échangeur supplémentaire 2, qui est aussi du type à plaques et ailettes brasées, au moins deux courants partiels issus du courant réfrigérant supplémentaire 300 sont soutirés de l’échangeur en au moins deux points de sortie distincts puis détendus à des niveaux de pression différents, donnant lieu à des courants partiels détendus diphasiques comprenant chacun une phase liquide et une phase gazeuse. Au moins une partie de ces courants partiels diphasiques est introduite dans des organes séparateurs 24, 25, 26 respectifs.
Dans le mode de réalisation selon Fig. 8, trois fractions, également appelées débits ou courants partiels, 301 , 302, 303 du courant réfrigérant supplémentaire 300 en phase liquide sont successivement soutirées.
Les phases gazeuses et liquides séparées par chaque organe séparateur sont introduites par des entrées distinctes de l’échangeur supplémentaire 2 et recombinées au sein de dispositifs mélangeurs (non illustrés) de façon à former au moins deux fluides frigorigènes introduits à l’état de mélange liquide-gaz dans des passages de fluide frigorigènes dédiés. Alternativement, seule la phase liquide est injectée dans l’échangeur 2 et la phase gaz est dirigée vers l’entrée des étages de compression du compresseur K1. Ces fluides frigorigènes sont vaporisés dans l’échangeur supplémentaire 2 par échange de chaleur avec le courant d’alimentation 110 et le courant réfrigérant 200 et le courant réfrigérant supplémentaire 300.
Avantageusement, on agence dans l’échangeur supplémentaire 2 au moins deux types de dispositifs mélangeurs tels que ceux qui peuvent être agencés au sein de l’échangeur 1 selon l’invention. Ainsi, l’échangeur supplémentaire comprend au moins deux passages de fluide frigorigène comprenant chacun un dispositif mélangeur, ces dispositifs comprenant l’une ou plusieurs des caractéristiques précédemment décrites pour les premiers et deuxième dispositifs mélangeurs 3A, 3B.
Les fluides frigorigènes vaporisés dans leurs passages de fluide frigorigène respectifs sont envoyés à différents étages du compresseur K1 , comprimés puis condensés dans un condenseur par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le courant issu du condenseur est renvoyé dans l'échangeur supplémentaire 2. La pression du premier courant réfrigérant à la sortie du compresseur K1 peut être comprise entre 2 MPa et 6 MPa. La température du courant réfrigérant supplémentaire à la sortie du condenseur C1 peut être comprise entre 10 °C et 45°C. De préférence, les fluides frigorigènes s’écoulent depuis une extrémité 2b de l’échangeur supplémentaire 2 vers une autre extrémité 2a suivant la direction longitudinale z, dans le sens ascendant. L’extrémité 2b correspond au bout froid de l’échangeur supplémentaire 2 où le fluide frigorigène est introduit à la température la plus basse des températures de l’échangeur supplémentaire 2.
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 d’extraction des fluides de l’échangeur, d’autre sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides, d’autres formes de dispositifs mélangeurs, de canaux latéraux et longitudinaux... sont bien sûr envisageables, selon les contraintes imposées par le procédé à mettre en œuvre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur (1 ) comprenant plusieurs plaques (2) agencées parallèlement entre elles et à une direction longitudinale (z), lesdites plaques (2) étant empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins un premier ensemble de passages (10A, 10B) configurés pour l’écoulement d’un premier fluide (F1 ) globalement suivant la direction longitudinale (z) et au moins un deuxième ensemble de passages (20) configurés pour l’écoulement d’un deuxième fluide (F2) à mettre en relation d’échange thermique avec le premier fluide (F1 ), au moins un premier passage (1 OA) du premier ensemble comprenant un premier dispositif mélangeur (3A) et au moins un deuxième passage (10B) du premier ensemble comprenant un deuxième dispostif mélangeur (3B), chacun des premier et deuxième dispositifs mélangeurs (3A, 3B) comprenant :
- au moins un canal latéral (31 A, 31 B) configuré pour l’écoulement d’une première phase (61 ) du premier fluide (F1 ) à partir d’au moins une première entrée (311 A, 311 B),
- une série de canaux longitudinaux (32A, 32B) s’étendant suivant la direction longitudinale (z) et configurés chacun pour l’écoulement d’une deuxième phase (62) du premier fluide (F1 ) à partir d’une deuxième entrée (321 A, 321 B) jusqu’à une deuxième sortie (322A, 322B), lesdits canaux longitudinaux se succédant suivant une direction latérale (y) orthogonale à la direction longitudinale (z), et
- au moins un orifice (34) reliant fluidiquement ledit au moins un canal latéral (31 A, 31 B) à au moins un canal longitudinal (32A, 32B) de sorte que les premier et deuxième dispositif mélangeur (3A, 3B) sont configurés pour distribuer un mélange de la première phase (61 ) et de la deuxième phase (62) par les deuxièmes sorties (322A, 322B) de leurs canaux longitudinaux (32A, 32B) respectifs, caractérisé en ce que les canaux longitudinaux (32A) du premier dispositif mélangeur (3A) sont agencés, au moins en partie, à des positions suivant la direction latérale (y) différentes des positions des canaux longitudinaux (32B) du deuxième dispositif mélangeur (3B).
2. Echangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le deuxième dispositif mélangeur (3B) comprend deux bords longitudinaux (3e) s’étendant parallèlement à la direction longitudinale (z), chaque canal longitudinal (32A) du premier dispositif mélangeur (3A) étant intercalé, suivant la direction latérale (y), entre deux canaux longitudinaux (32B) successifs du deuxième dispositif mélangeur (3B) ou entre un canal longitudinal (32B) et un bord longitudinal (3e) du deuxième dispositif mélangeur (3B).
3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’un seul canal longitudinal (32A) du premier dispositif mélangeur (3A) est intercalé, suivant la direction latérale (y), entre deux canaux longitudinaux (32B) successifs du deuxième dispositif mélangeur (3B) ou entre un canal longitudinal (32B) et un bord longitudinal (3e) du deuxième dispositif mélangeur (3B).
4. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux longitudinaux (32A) du premier dispositif mélangeur (3A) sont séparés les uns des autres d’une première distance (DA) constante et les canaux longitudinaux (32B) du deuxième dispositif mélangeur (3B) sont séparés les uns des autres d’une deuxième distance (DB) constante, de préférence la première distance (DA) et la deuxième distance (DB) sont égales.
5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la série de canaux longitudinaux (32B) du deuxième dispositif mélangeur (3B) est décalée d’une distance de décalage (Dy), mesurée suivant la direction latérale (y), par rapport à la série de canaux longitudinaux (32A) du premier dispositif (3A), de préférence la distance de décalage (Dy) représente entre 25 et 75% de la première distance (DA), de préférence la distance de décalage (Dy) représente 50% de la première distance (DA).
6. Echangeur selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la première distance (DA) et/ou la deuxième distance (DB) est comprise entre 10 et 40 mm, de préférence supérieure ou égale à 20 mm et inférieure ou égale à 30 mm.
7. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des premier et deuxième passages (10A, 10B) présente un axe de symétrie longitudinal (AA’) s’étendant parallèlement à la direction longitudinale (z), les canaux longitudinaux (32A, 32B) de chaque premier et deuxième dispositif mélangeur (3A, 3B) étant agencés de façon symétrique par rapport à l’axe de symétrie longitudinal (AA’).
8. Echangeur selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les positions suivant la direction latérale (y) des canaux longitudinaux (32B) du deuxième dispositif mélangeur (3B) coincident, après une rotation de 180° dans le plan défini par la direction latérale (y) et par la direction longitudinale (z), avec les positions suivant la direction latérale (y) des canaux longitudinaux (32A) du premier dispositif (3A).
9. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs premiers passages (10A) et deuxièmes passages (10B) agencés en alternance, au moins un passage (20) du deuxième ensemble étant agencé entre au moins un premier passage (10A) et au moins un deuxième passage (10B) consécutif audit au moins un premier passage (10A).
10. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux latéraux (31 ) et/ou les canaux longitudinaux (32) du premier dispositif mélangeur (3A) et du deuxième dispositif mélangeur (3B) sont de forme rectiligne.
11 . Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et deuxième dispositifs mélangeurs (3) comprennent chacun une série de canaux (31 A, 31 B) latéraux s’étendant suivant la direction latérale (y) et se succédant suivant la direction longitudinale (z).
12. Procédé de liquéfaction d’un courant comprenant des hydrocarbures (102) tel que le gaz naturel en tant que deuxième fluide (F2), ledit procédé mettant en œuvre au moins un échangeur (1 ) selon l’une des revendications 1 à 11 et comprenant les étapes suivantes : a) introduction du courant d’hydrocarbures (102) dans les passages (20) du deuxième ensemble, b) introduction d’un courant réfrigérant (202) dans un troisième ensemble de passages de l’échangeur de chaleur (1), c) sortie du courant réfrigérant (201 ) de l’échangeur de chaleur (1 ) et détente du courant réfrigérant (201) à au moins un niveau de pression de façon à produire au moins un courant réfrigérant diphasique (203) en tant que premier fluide (F1 ), d) séparation d’au moins une partie du courant réfrigérant diphasique (203) issu de l’étape c) en une phase gazeuse (62) et une phase liquide (61), e) introduction dans chacun des premier (10A) et deuxième passages (10B) du premier ensemble respectivement d’au moins une partie de la phase gazeuse (62) et d’un moins une partie de la phase liquide (61) par des entrées séparées (311 A, 321 A, 311 B, 321 B) desdits premier (1 OA) et deuxième passages (10B), f) passage des phases (61, 62) introduites à l’étape e) dans des premiers et deuxièmes dispositifs mélangeurs (3A, 3B) de façon à obtenir le premier fluide (F1) sous forme d’un mélange de la première phase (61) et de la deuxième phase (62) à la sortie de chacun des premier et deuxième dispositifs mélangeurs mélangeur (3A, 3B), g) vaporisation d’au moins une partie du premier fluide (F1) issu de l’étape f) dans les premier et deuxième passages (10A, 10B) par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures (102) de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures refroidi et/ou au moins partiellement liquéfié (101) en sortie de l’échangeur (1).
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