EP4078065A1 - Dispositif mélangeur favorisant une distribution homogène d'un mélange diphasique, installation d'échange de chaleur et procédé de mélange associé - Google Patents

Dispositif mélangeur favorisant une distribution homogène d'un mélange diphasique, installation d'échange de chaleur et procédé de mélange associé

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EP4078065A1
EP4078065A1 EP20817018.3A EP20817018A EP4078065A1 EP 4078065 A1 EP4078065 A1 EP 4078065A1 EP 20817018 A EP20817018 A EP 20817018A EP 4078065 A1 EP4078065 A1 EP 4078065A1
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EP
European Patent Office
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phase
fluid
longitudinal
channel
mixing device
Prior art date
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Pending
Application number
EP20817018.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
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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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/32—Details on header or distribution passages of heat exchangers, e.g. of reboiler-condenser or plate heat exchangers

Definitions

  • the present invention relates to a mixing device for more homogeneously distributing a mixture of two liquid / gas phases in at least one passage of a heat exchanger as well as a heat exchange installation comprising such a mixing device.
  • 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 process temperature reached by the cooling fluids, typically that of the liquefied natural gas stream.
  • the refrigerant stream is expanded, forming a first phase and a second 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 one on top of the other, each 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 stream 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 per pass, 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 series 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, ie a two-phase current, is distributed at the outlet of the mixing device to the exchange zone thermal.
  • Each refrigerant passage of the exchanger is fitted with such a device.
  • a problem which 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.
  • the introduction of the liquid-gas mixture into the exchange zone occurs discretely 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 serration waves (from the term "serrated" in English).
  • perforated or serration waves from the term "serrated" in English.
  • the object of the present invention is to resolve all or part of the above-mentioned problems, in particular by proposing a mixing device allowing a more homogeneous distribution of a two-phase mixture in the width of a heat exchanger passage while limiting the pressure drops that the two-phase mixing can undergo at the outlet of the mixing device.
  • the solution according to the invention is then a mixing device for distributing a mixture of a first phase and of a second phase of a first fluid generally in a longitudinal direction in at least one passage of a heat exchanger, said device mixer including:
  • At least one longitudinal channel is divided, along the longitudinal direction, into at least one upstream portion and one downstream portion each having a length measured in the longitudinal direction and a width measured in the lateral direction, the downstream portion being arranged between the upstream portion and the second outlet, said downstream portion having, at any point of its length, a width greater than the width of the upstream portion.
  • the invention may include one or more of the following characteristics:
  • the downstream portion has an increasing width, preferably continuously increasing, over its length in the direction of the second outlet.
  • the downstream portion has a minimum width and a maximum width with the ratio D M / D m greater than or equal to 1.1, preferably greater than or equal to 1, 8 and / or less than or equal to 4.
  • All or part of the downstream portion has, in longitudinal section in a plane parallel to the longitudinal direction and to the lateral direction, an external profile in the form of an isosceles trapezoid.
  • All or part of the downstream portion has, in longitudinal section in a plane parallel to the longitudinal direction and to the lateral direction, a curvilinear external profile.
  • the downstream portion opens out at a downstream face of the mixing device, the external profile forming an angle, measured between the tangent to said external profile at the point of intersection with the downstream face and the axis of symmetry of the longitudinal channel, included between 5 and 85 °.
  • the upstream portion of the longitudinal channel is connected to the downstream portion by one end, said at least one orifice opening into said longitudinal channel at the level of the upstream portion at a distance from the end, preferably is greater than or equal to 4% and preferably between 7 and 90% of the length of the upstream portion.
  • the least one orifice is arranged so that when the first phase flows from the first inlet of the side channel and the second phase flows from the second inlet of the longitudinal channel, the mixture of the first phase and the second phase takes place upstream of the downstream portion.
  • the orifice (s) of the mixing device all open out at the level of the upstream portion of a longitudinal channel.
  • Each longitudinal channel of the series of longitudinal channels comprises at least one orifice opening out at its upstream portion, the position of the at least one orifice in the longitudinal direction varying between the longitudinal channels.
  • the length of the upstream portion and the length of the downstream portion are such that the ratio l_3 / L4 is between 1 and 15, preferably between 3 and 12.
  • All or part of the upstream portion has, in longitudinal section in a plane parallel to the longitudinal direction and to the lateral direction, a rectilinear external profile with a constant width which is preferably equal to the minimum width of the downstream portion.
  • the downstream portion has a depth, measured in a so-called stacking direction which is perpendicular to the longitudinal direction and perpendicular to the lateral direction, increasing in the direction of the second outlet.
  • the longitudinal channel comprises at least one obstacle arranged so as to subdivide the downstream portion into several intermediate channels opening out at the second outlet, preferably said intermediate channels are arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry of the longitudinal channel .
  • the total area of said at least one obstacle measured in a plane of transverse section perpendicular to the longitudinal direction represents between 20 and 80%, preferably between 30 and 70%, of the total passage section of fluid of the surface of the downstream portion measured in said plane of transverse section.
  • the at least one obstacle has a width, measured in the lateral direction, increasing in the direction of the second exit, with preferably at least one obstacle having, in a longitudinal section plane, a curvilinear external profile.
  • the longitudinal channel further comprises at least one balancing channel placing the intermediate channels in fluid communication.
  • the invention relates to 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 the 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 a heat exchange relationship with the first fluid, at least one passage of the first set comprising a mixing device according to 'invention. Furthermore, the invention relates to a heat exchange installation comprising:
  • 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 a first fluid generally following the longitudinal direction and at least a second set of passages configured for the flow of a second fluid to be placed in a heat exchange relationship with the first fluid,
  • a mixing device arranged in at least one passage of the first series and configured to distribute the first fluid formed from a mixture of the first phase and of the second phase in said passage of the first series, the first inlet of the side channel being in fluid communication with said first manifold, and the second inlet being in fluid communication with the second manifold, the first phase being a liquid phase and the second phase being a gas phase.
  • the first phase is a liquid phase.
  • the second phase is a gas phase.
  • the invention relates to a method for mixing a first phase and a second phase of a first fluid in a mixing device according to the invention, said method comprising the following steps: i) introduction of the first phase of the first fluid through at least a first inlet of the lateral channel, ii) introduction of the second phase of the first fluid through a second inlet of each longitudinal channel, the second phase flowing in each longitudinal channel in the longitudinal direction to a second outlet of said longitudinal channel, iii) flow of at least a part of the first phase from the side channel to the longitudinal channel through the orifice so as to mix the first phase with the second phase in the channel longitudinal, iv) distribution of the mixture of the first phase and of the second phase through the second outlet of each longitudinal channel.
  • the mixing of the first phase with the second phase is carried out upstream of the downstream portion.
  • the invention relates to a process for liquefying a stream of hydrocarbons such as natural gas as a second fluid by heat exchange with at least one two-phase refrigerant stream as the first fluid, said process using a mixing process according to the invention and comprising the following steps: a) introduction of the stream of hydrocarbons into a second set of passages of a heat exchanger, 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 of the refrigerant stream to at least one pressure level so as to produce at least one two-phase refrigerant stream, d) separation of at least a part two-phase refrigerant current from step c) in a second phase and a first phase, e) arrangement of a mixing device in at least one passage of a first set of passages of the exchange heart of heat, f) introduction of at least part of the second phase and at least part of the first phase in the mixing device
  • 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 which has been partially, substantially or fully treated for the reduction and / or elimination of one or more compounds, including but not limited to. limit, sulfur, carbon dioxide, water, mercury and some heavy and aromatic hydrocarbons.
  • Fig. 1 schematically shows a heat exchange installation according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a three-dimensional schematic view of a mixing device according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic cross-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 longitudinal sectional view in a plane parallel to the longitudinal direction z and to the lateral direction y of a mixing device according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is a schematic longitudinal sectional view in a plane parallel to the longitudinal direction z and to the lateral direction y of a mixing device according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 6 is a schematic longitudinal sectional view in a plane parallel to the longitudinal direction z and to the lateral direction y of a mixing device according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 7 is a schematic longitudinal sectional view in a plane parallel to the longitudinal direction z and to the lateral direction y of a mixing device according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 8 is a schematic longitudinal sectional view in a plane parallel to the longitudinal direction z and to the lateral direction y of a mixing device according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 9 is a schematic longitudinal sectional view in a plane parallel to the longitudinal direction z and to the lateral direction y of a mixing device according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 10 shows a mixing device and exchanger configuration according to the invention used to perform fluid flow simulations.
  • FIG. 11 represents the results of fluid flow simulations with a mixing device configured according to the prior art and with a mixing device according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 12 schematically shows a process for liquefying a stream of hydrocarbons according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 13 schematically shows 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 mixing device 3 according to the invention.
  • the exchanger 1 is preferably of the brazed plate and fin type. It comprises 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 a spacing between each plate and thus form a superposition of passages for the flow of fluids in an indirect heat exchange relationship via said plates.
  • each passage has a parallelepipedal and flat shape.
  • the gap 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 passage assembly 10 (a single passage is visible in FIG. 1) for channeling 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 10 may be arranged, in whole or in part, alternately 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 10, 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 10, 20 but advantageously leaves fluid inlet and outlet openings located in the diagonally opposite corners of the passages.
  • the openings of the passages 10 of the first set are arranged in coincidence one above the other in the direction of stacking x of the. passages, which is perpendicular to the y and z directions, while the openings of the passages 20 of the second set are arranged in the other corners of the exchanger located in FIG. 1 by the arrows F2, with the inlet and the outlet for the second fluid F2 located respectively at the top left and at the bottom right.
  • 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. 10, 20.
  • fluid introduction and outlet configurations other than that according to Fig. 1 can be used.
  • the openings of the passages can thus be arranged in other positions in the width of the exchanger, in particular in the center of the width of the exchanger, and / or in 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 natures 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 10, 20.
  • the passages 10, 20 advantageously comprise heat exchange structures arranged between the plates 2.
  • the function of these structures is to increase the heat exchange surface of the exchanger and to increase the exchange coefficients between. fluids by 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 guiding of 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 10, 20, parallel to the plates 2, in the extension of the distribution waves along the length of the passages.
  • the passages 10, 20 of the exchanger thus have a main part of their length constituting the actual heat exchange part, which is lined with a heat exchange structure, said main part being bordered by lined distribution parts. distribution waves 51, 54.
  • Fig. 1 shows a passage 10 of the first assembly configured for the flow of a first fluid F1 in the form of a mixture of two phases, also called two-phase mixture.
  • the first set comprises several passages 10 of this type superimposed on one another.
  • 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 which are separate.
  • the separator 6 then forms a source of the first phase and of the second phase.
  • source of fluid is understood to mean any means suitable for supplying the channels of the mixing device with a fluid.
  • the first phase 61 is liquid and the second phase 62 is gaseous.
  • the longitudinal channel is configured for vertical and upward flow of the first phase and two-phase mixing at the second outlet
  • gravity has less impact on the gas phase flow compared to that of the liquid phase.
  • the entrainment of the liquid phase in the orifice 34 is facilitated by the greater speed of the gas phase.
  • the presence of the gas phase facilitates the flow of the liquid phase once said liquid phase has been introduced into the longitudinal channel through the orifice 34.
  • the phases 61, 62 are then mixed with one another by means of a mixing device 3 arranged in at least one passage 10.
  • a mixing device 3 arranged in at least one passage 10.
  • several passages 10, or even all of the passages 10 of the first set include a mixing device.
  • the semi-tubular collectors 52 and 55 are fluidly connected to the inlets and outlets of the passages 10.
  • the first manifold 30 is fluidly connected to at least a first inlet 311 of the mixing device 3.
  • the second manifold 52 is fluidly connected to at least a second inlet 321 of the mixing device 3.
  • the first and second manifolds may be any manifold means suitable for collecting a fluid from a source of fluid and introducing said fluid into one or more passages of a heat exchanger.
  • Fig. 1 illustrates a mixing device 3 positioned at a certain distance from the distribution zone 51 of the exchanger 1.
  • the mixing device 3 can be positioned directly after the distribution zone, either juxtaposed to said zone, or being formed integrally with the distribution area.
  • the mixing device forms a monolithic part, which can be manufactured by conventional machining or by additive manufacturing, i. e. by 3D printing, for example by laser sintering
  • Fig. 2 is a three-dimensional view of a mixing device 3 advantageously consisting of a bar, or rod, housed in a passage 10.
  • the mixing device 3 preferably extends in the section of the passage 10 over almost all, if not all, of the height of the passage 10, so that the mixing device is in contact with each plate 2 forming the passage 10.
  • the mixing device 3 is advantageously fixed to the plates 2 by brazing.
  • the mixing device 3 is advantageously of generally parallelepipedal shape.
  • the mixing device 3 is a monolithic part, i. e. formed as a block or in one piece.
  • the mixing device 3 can be manufactured by conventional machining or by additive manufacturing.
  • the mixing device 3 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 mixing device 3 comprises at least one side channel 31 configured for the flow of the first phase 61 of the first fluid F1 from at least one first inlet 311.
  • the side channel 31 extends parallel to the direction. lateral y.
  • It further comprises a series of longitudinal channels 32 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 321 to a second outlet 322, said longitudinal channels 32 being arranged at successive positions y ,, yi + i, ... in the lateral direction y.
  • the side channel 31 extends over the entire second dimension and / or the longitudinal channel 32 extends over the entire first dimension.
  • the mixing device 3 comprises at least a first inlet 311 in fluid communication with the first manifold 30 and a second, separate inlet 321, i. e. separate, from the first inlet 311, 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 to the at least a first inlet 311 and said at least one second inlet 321 are placed in fluid communication via at least one orifice 34.
  • the mixing device is configured for separate introduction of the first phase and of the second phase, the first inlet 311 being adapted for supplying the first phase 61 of the lateral channel 31 and said at least one second inlet 321 being adapted to supplying the longitudinal channels 32 with the second phase 62.
  • the first and second inlets are advantageously formed by opening the lateral and longitudinal channels at the level of the lateral and longitudinal peripheral edges of the device 3.
  • Fig. 2 shows an introduction of the first phase 61 via one end of the device 3 comprising several first inputs 311.
  • the mixing device 3 comprises at least one other first input for the first phase 61 located at an opposite end of the device 3
  • these other inlets are obtained by extending the lateral channels 31 until they open out at an opposite lateral edge of the exchanger 1.
  • another first manifold 30 is arranged on one side. opposite 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 mixing device 3 comprises a mixing volume located in the longitudinal channel 32, downstream of the orifice 34, following the direction of flow of the first phase 61 in the orifice 34.
  • the side channel 31 is fluidly connected to at least one longitudinal channel 32 so that, when the first phase 61 flows into the side channel 31 and the second phase 62 flows into the longitudinal channel 32, the mixing device 3 distributes by a second outlet 322 of the channel 32 a mixture of the first phase 61 and of the second phase 62, preferably a two-phase liquid / gas mixture F 1, also called a two-phase mixture.
  • the longitudinal channel and / or the lateral channel have generally rectilinear shapes.
  • the channels 31, 32 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 3.
  • the channels 31, 32 have a cross section of square or rectangular shape but may optionally have other shapes (round, portion of round, ).
  • the orifices 34 are advantageously bores 34 made in the material of the device 3 and extending between the first channel 31 and the second channel 32, preferably in the plane formed by the x and y directions, the orifices 34 being able to be inclined by relative 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 comprises a bottom wall 3c and said at least one longitudinal channel 32 comprises a top wall 3d which extends opposite the bottom wall 3c, the orifices 34 being drilled in the bottom wall of the first channel 31 and opening into the top wall of the longitudinal channel 32.
  • Fig. 3 is a view of the mixing device 3 of FIG. 2 in a section plane orthogonal to the lateral direction y and passing through an orifice 34.
  • the passages 10 of the first set of mixing devices 3 having longitudinal channels whose width, measured in the lateral direction y, remains constant along the longitudinal direction z, in particular longitudinal channels of parallelepipedal shape such as the shape of the lateral channels 31 visible in FIG. 2.
  • the flow of the two-phase mixture of the first fluid F1 preferably takes place in the longitudinal direction z, with a progressive expansion of the flow in the width of the passage 10.
  • the homogenization of the flows in each pass is only obtained beyond a certain distance traveled by the mixture. This lack of homogenization of the mixture F1 takes place throughout the stack of passages 10 of the first set.
  • the present invention proposes to arrange in a passage 10 of the first assembly, a mixing device 3 of which at least one longitudinal channel 32 is divided, in the longitudinal direction z, into an upstream portion 323 and a downstream portion. 324 each having a length L3, L4 measured in the longitudinal direction z and a width D3, D y measured parallel to the lateral direction y, the downstream portion 324 being arranged between the upstream portion 323 and the second outlet 322.
  • the downstream portion 324 has, at any point of its length L4, a width D y greater (strictly) than the width D3 of the upstream portion 323.
  • width is understood to mean the distance measured between the edges delimiting the longitudinal channel 32 in a predetermined longitudinal section plane which is parallel to the longitudinal direction z and parallel to the lateral direction y, that is to say say the width of the external profile of the channel in said section plane, as shown for example in FIG. 4 to Fig. 9.
  • the arrangement of a downstream portion having an enlargement in the lateral direction favors the lateral expansion of the two-phase mixture leaving the longitudinal channel 32.
  • the inventors of the present invention have demonstrated that the fluid jet formed a larger base cone at the outlet of the longitudinal channel, which allowed the fluid leaving the longitudinal channel 32 to irrigate a greater number of exchange channels with a positioned exchange wave, in operation, downstream of the mixing device 3. It is thus possible to obtain a more rapid homogenization with the jets of fluid leaving the neighboring longitudinal channels.
  • the disparities in the flow rate of the mixture in the width of the passage 10 are thus reduced, or even eliminated, after a shorter propagation distance of the mixture downstream of the mixing device 3.
  • the heat exchanges between the two-phase mixture and the second fluid F2, and hence the operation of the exchanger are improved.
  • the widening of the downstream portion in the lateral direction offers there the possibility, in cases where the mass flow rate of the two-phase mixture in the longitudinal channel 32 is relatively high, to induce a slowing down of the flow of the mixture in the longitudinal direction. level of the downstream portion, and thus reduce the pressure drops undergone by the two-phase mixing at the outlet of the longitudinal channel 32, when it irrigates the exchange waves located downstream of the mixing device 3.
  • channels of the series of longitudinal channels 32 are configured according to the invention and may include all or part of the characteristics described below.
  • the downstream portion 324 opens out at a downstream face 326 of the mixing device 3, the second outlet 322 being provided at the downstream face 326. At least part of the first phase 61 flowing in the channel side 31 feeds the orifice 34 to flow into the longitudinal channel where the mixing takes place. The second phase 62 flows successively into the upstream 323 and downstream 324 portions. The mixture is distributed through the second outlet 322.
  • the downstream portion 324 has a width D y increasing along the length L4 in the direction of the second outlet 322, preferably increasing over the entire length L4.
  • downstream portion in the longitudinal direction z can be induced punctually, in one or more times, or even gradually, i. e. be continuously increasing, along all or part of the downstream portion 324.
  • the width D y of the downstream portion 324 increases continuously, i. e gradually, over the entire length L4 in the direction of the second outlet 322. This limits the disturbances that could cause sudden variations in channel width in the flow of the mixture.
  • the downstream portion 324 has a minimum width D m and a maximum width DM with the DM / D m ratio greater than or equal to 1, 1, preferably greater than or equal to 1, 8 and / or less than or equal to 4
  • a dimensional ratio makes it possible to sufficiently increase the width of the longitudinal channel 32 at the level of the end 322 without, however, excessively increasing the length of the longitudinal channel 32 in the z direction and while retaining simple machining of the longitudinal channel. 32.
  • the width DM can be between 6 and 25 mm, preferably between 8 and 20 mm.
  • a mixing device may be intended to be arranged in a passage 10 provided, downstream of the mixing device, with at least one exchange wave comprising exchange channels each having a width of between 0.6 and 2 mm, preferably a width of at least 0.7 mm and / or at most 1.5 mm.
  • the minimum width D m is measured at the level of the end 324a of the downstream portion 324 and the maximum width DM is measured at the level of the second outlet 322.
  • the longitudinal channel 32 is delimited by side walls 325 forming, in a longitudinal section plane which is parallel to the longitudinal direction z and to the lateral direction y, an external profile of said channel 32 with a parallel axis of symmetry AA '. to the longitudinal direction z.
  • the side walls 325 of the channel are preferably erected in a direction which is orthogonal to the longitudinal z and lateral y directions.
  • the walls 325 advantageously have a height, measured in the x direction, constant over the entire length of the channel 32.
  • At least part of the downstream portion 324 has a curvilinear external profile, preferably an external profile of convex shape.
  • Fig. 4 shows schematically an embodiment of a longitudinal channel 32 comprising such a downstream portion 324.
  • the presence of a curvilinear external profile at the level of the downstream portion ensures better guidance of the flow of the fluid in the downstream portion up to its exit from the mixing device, in particular, possible phenomena of separation, recirculation of fluid or turbulence which could result from sharp edges on the walls and would cause undesirable additional pressure drops on the fluid.
  • all or part of the downstream portion 324 has, in longitudinal section in a plane parallel to the longitudinal direction z and to the lateral direction y, an external profile in the form of an isosceles trapezoid, the side walls at the level of this portion being rectilinear walls.
  • Fig. 5 schematically shows an example in which the whole of the downstream portion 324 has such an external profile.
  • the external profile can form an angle Q, measured between the tangent T to said external profile at the point of intersection with the downstream face 326 and the axis of symmetry AA ', between 5 and 85 °.
  • Fig. 9 shows an embodiment in which the widening of the downstream portion in the longitudinal direction z is induced punctually, all at once, at the end 324a.
  • the upstream portion 323 is connected to the downstream portion 324 by its end 324a.
  • the upstream portion 323 has a length L3 measured in the longitudinal direction z with the L3 / L4 ratio of between 1 and 15, preferably between 3 and 12.
  • the length l_4 can be between 5 and 40 mm.
  • the length L3 can be between 30 and 70 mm.
  • said at least one orifice 34 opens into the longitudinal channel 32 at the level of its upstream portion 323, preferably at a distance L z from the end 324a of the downstream portion 324 with L z at least equal to 4%, more preferably between 7 and 90%, and even more preferably ranging from 10 to 50%, of the length L3 of the upstream portion (323).
  • the orifice 34 may open out at a distance L z of between 3 and 70 mm from the end 324a of the downstream portion 324.
  • the orifice (s) 34 of a longitudinal channel 32 all open out at its level. upstream portion 323.
  • the mixing device is advantageously free of orifice 34 opening out at its upstream portion 324.
  • the higher speed of the second phase 62 in the portion 323 of the channel 32 compared to the speed of the fluid F1 in the portion 324 also makes it possible to facilitate the passage of the phase 61 from the channel 31 to the channel 32 via the orifice 34 of the made of the high inertia of phase 61 by phase 62 and of the resulting training.
  • the position of at least one orifice 34 in the longitudinal direction z varies between the longitudinal channels. It is for this reason in particular that some orifices 34 may be closer to the end 324a than others.
  • the longitudinal channels advantageously have identical dimensional characteristics, ie the same external profile, the same depth, the same ratio L3 / L 4 , the same distance L z , although it is possible, in certain configurations, to vary at least one characteristic of at least one channel with respect to the others, in particular the length ratio of the downstream and upstream portions.
  • all or part of the upstream portion 323 has a rectilinear external profile with a width Ü constant 3, preferably equal to D m minimum width of the downstream portion 324.
  • the upstream portion 323 has a width D 3 variable over all or part of its length, being greater than D y to the maximum value that can be reached by D3.
  • Fig. 6 and Fig. 7 show schematically embodiments according to which the longitudinal channel 32 comprises at least one obstacle 327 arranged so as to subdivide the downstream portion 324 into several intermediate channels 328 opening at the level of the second outlet 322.
  • the creation of intermediate channels is particularly advantageous when the mass flow rate in the longitudinal channel 32 is relatively high because in this case, the mixture has a significant inertia in the longitudinal direction z, that is to say it tends to continue to flow in the z direction, even when the longitudinal channel widens.
  • the placement of one or more obstacles makes it possible to modify the direction of flow of the two-phase mixture by giving a component in the y direction at its speed. This increases the angular opening of the fluid jet at the outlet of the longitudinal channel, which makes it possible to feed a larger number of exchange channels positioned downstream of the mixing device.
  • Obstacles can also be used in order to keep constant or almost constant, and possibly reduce, the section of the fluid passage at the level of the downstream portion, despite its widening.
  • fluid passage section is meant the area through which the fluid flows measured perpendicular to the longitudinal direction z. This so as to ensure a lateral expansion of the mixture, without increasing the fluid passage section.
  • the total area of said obstacle 327 measured in a plane of transverse section perpendicular to the longitudinal direction z represents between 20 and 80%, preferably between 30 and 70%, of the total section passage of fluid of the downstream portion (324) measured in said cross-sectional plane.
  • the total area is understood as the sum of the areas of each obstacle.
  • the longitudinal channel 32 further comprises at least one balancing channel 329 placing the intermediate channels 328 in fluid communication. This makes it possible to rebalance the fluid pressures between the intermediate channels 328, in the event that it is there are disparities in fluid flow and pressure between the intermediate channels.
  • Fig. 8 shows an example of such a configuration.
  • an even number of intermediate channels is provided in order to maintain distribution symmetry along the AA ′ axis of the mixture within the longitudinal channel.
  • the obstacle or obstacles may be manufactured with the longitudinal channel by milling, by injection molding of a metal, by electro-erosion or by laser machining. We can also consider an additive manufacturing method.
  • the obstacles 327 have a height equal to those of the side walls of the longitudinal channel.
  • said at least one obstacle 327 has a width dy, measured in the lateral direction y, increasing in the direction of the second outlet 322, preferably with a curvilinear, convex and / or concave external profile. This makes it possible to conform the obstacle so as to avoid additional pressure drops of the fluid F1 in the downstream portion 324 of the channel 32 by detachment of the fluid at the level of the walls of the obstacle or due to areas of recirculation of the fluid.
  • passages 10 of the first set comprise a mixing device according to the invention.
  • At least one passage 20 of the second set is arranged between at least one pair of consecutive passages 10 of the first set.
  • the longitudinal channels 32 of the mixing device 3 are separated from each other by a constant distance D A measured parallel to the longitudinal direction y.
  • each channel in the lateral direction y can be determined by considering the position of the center of each channel in the lateral direction y. For example, considering channels in the form of parallelepipedal grooves as shown in FIG. 2, 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 distance D A may be between 10 and 40 mm, preferably greater than or equal to 20 mm and less than or equal to 30 mm.
  • FIG. 11 shows the results of a simulation of the propagation of a two-phase mixture in a longitudinal channel of a conventional mixer device (configuration A) and in a longitudinal channel of a mixer device according to an embodiment of the invention (configuration B).
  • the mixing device was in the form of a grooved bar comprising, as longitudinal channels, a series of parallelepiped-shaped grooves succeeding each other at regular intervals of 30 mm.
  • Each groove measured 7mm in width, 70mm in length and 7mm in height.
  • the mixing devices were in the form of grooved bars with successive grooves at regular intervals of 30 mm.
  • Each groove was in the form of a longitudinal channel with an upstream portion 323 having the dimensions of 7 mm in width, 63 mm in length and 7 mm in height.
  • the downstream portion 324 was of frustoconical shape with a width of 7 mm at the level of the end 324a and 14 mm at the level of the second outlet 322.
  • the upstream portion 323 had a length of 7 mm and a height of 7 mm.
  • An isosceles triangle-shaped obstacle was placed in the downstream portion 324, symmetrically with respect to the axis of symmetry AA ', 7 mm high in the z direction and 7 mm wide at the base at the second exit. 322.
  • the width DM was twice as high as D3.
  • the L3 / L4 ratio was 8 and the length L z was 5 mm.
  • the angle Q was 45 °. Note that configuration B corresponds to the particular case where the fluid passage section of the downstream portion is kept constant in the longitudinal direction z due to the presence of the obstacle although the width of said portion increases in the direction of the second outlet 322.
  • the longitudinal channels of the mixing devices of configurations A and B were arranged in the same number and at identical positions y ,, yi + i, ... in the lateral direction y.
  • waves 11 of the “serrated” type i. e. partially offset, were arranged at the outlet of the mixing devices in each passage.
  • the simulation is a three-dimensional CFD-type calculation using the finite element method, which is the acronym in English for “Computational Fuid Dynamics”, for “computational fluid mechanics”.
  • Fig. 11 shows the evolution of the value of the smallest adimensioned velocity of the fluid along the longitudinal direction z (denoted V z ) measured on successive sections of the waves located after the outlet 322 in planes parallel to the x and y directions, for several distance values between the output 322 and said planes.
  • These speed values are representative of the quality of the distribution of the fluid in the waves: a negative value indicates the presence of a recirculation zone, with stagnant fluid in the center of the zone. A zero value indicates the presence of stagnant fluid. Since the stagnant fluid is not renewed, it does not participate in the heat exchange and reduces the overall efficiency of the exchanger.
  • a performance indicator of fluid delivery is the minimum distance necessary in the longitudinal direction z from which all the fluid has a positive velocity in the longitudinal direction z.
  • the minimum distance required is reduced 45 to 31 mm, i.e. a reduction of 35% in configuration B according to the invention compared to conventional configuration A. Thanks to the invention, the homogenization of the product is therefore significantly improved. Two-phase mixture distributed by a mixing device and the efficiency of the exchanger is improved.
  • Fig. 12 and Fig. 13 show examples of processes using one or more exchangers according to the invention.
  • Fig. 12 shows schematically a process for liquefying a stream of hydrocarbons 102 as a second fluid F2, which may be natural gas, optionally pretreated, for example having undergone a separation of at least one of the following constituents: water, carbon dioxide 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 stream 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 third set are arranged, in whole or in part, alternately and / or adjacent to all or part of the passages 10 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 considered.
  • the hydrocarbon stream 102 can be introduced into exchanger 1 at a temperature between -130 and 40 ° C.
  • the stream of hydrocarbons 102 is introduced in the totally gaseous or partially liquefied state into the exchanger 1 at a temperature of between -80 and -35 ° C. According to another possibility, the stream of hydrocarbons 102 is introduced completely liquefied into the 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 first phase and a second phase.
  • the two-phase refrigerant stream 203 forms the first fluid F1 considered above.
  • 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 predominantly gaseous stream on the one hand and a predominantly liquid stream of 'somewhere else.
  • the second phase 62 is introduced by the collector 52 which supplies the second inputs 321 of mixing devices 3 arranged in the passages 10 of the first set.
  • the first phase 61 is introduced by the first collector 30 which supplies the first inputs 311 of mixing devices 3 arranged in each passage 10 (not illustrated in FIG. 9).
  • the second 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 stream 203 are recombined within the exchanger 1 and distributed in the state of a liquid-gas mixture in the passages 10 of the exchanger 1 each provided with mixing devices 3 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 through the passages 10 in an upward direction and is vaporized in countercurrent refrigerant on the. natural gas 102 and the refrigerant stream 202.
  • a stream of cooled and / or at least partially liquefied hydrocarbons 101 is thus obtained at the outlet of the 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. 12).
  • 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 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 comprise, replacing ethane, ethylene and, replacing all or part of the propane, compounds of the C4, C5 type.
  • 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.
  • 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 stream of 'hydrocarbons.
  • Fig. 13 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.
  • a cooled, or even at least partially liquefied, hydrocarbon stream 102 leaves the pre-cooling exchanger 2.
  • the hydrocarbon stream 102 leaves in the gaseous or partially liquefied state, for example at a temperature. temperature 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.
  • the stream 102 is then introduced into the 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 relaxed partial currents each comprising a first phase and a second phase. At least part of these two-phase partial currents is introduced into respective separator members 24, 25, 26.
  • three fractions, also called partial flows or streams, 301, 302, 303 of the additional refrigerant stream 300 in the first phase are successively withdrawn.
  • 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 first phase is injected into the exchanger 2 and the gas phase is directed towards the inlet of the compression stages of the compressor K1. These refrigerants are vaporized in the exchanger additional 2 by heat exchange with the feed stream 110 and the refrigerant stream 202 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 ensemble d'échange de chaleur comprenant un échangeur de chaleur (1) à plaques (2), une source d'une première phase (61) du premier fluide (F1) reliée fluidiquement à au moins un premier collecteur (30) de l'échangeur de chaleur (1), une source d'une deuxième phase (62) du premier fluide (F1) reliée fluidiquement à au moins un deuxième collecteur (52) de l'échangeur de chaleur (1), un dispositif mélangeur (3) pour distribuer un mélange d'une première phase (61) et d'une deuxième phase (62) d'un premier fluide (F1) globalement suivant une direction longitudinale (z) dans au moins un passage (10) d'un échangeur de chaleur (1), ledit dispositif mélangeur (3) comprenant au moins un canal latéral (31) configuré pour l'écoulement d'une première phase (61) du premier fluide (F1) à partir d'au moins une première entrée (311), une série de canaux longitudinaux (32) 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) jusqu'à une deuxième sortie (322), 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 canal latéral (31) à au moins un canal longitudinal (32) de sorte que le dispositif mélangeur (3) est configuré pour distribuer un mélange de la première phase (61) et de la deuxième phase (62) par la deuxième sortie (322) dudit au moins un canal longitudinal (32). Selon l'invention, ledit au moins un canal longitudinal (32) est divisé, suivant la direction longitudinale (z), en au moins une portion amont (323) et une portion aval (324) ayant chacune une longueur (L3, L4) mesurée dans la direction longitudinale (z) et une largeur (D3, Dy) mesurée dans la direction latérale (y), la portion aval (324) étant agencée entre la portion amont (323) et la deuxième sortie (322), ladite portion aval (324) ayant, en tout point de sa longueur (L4), une largeur (Dy) supérieure à la largeur (D3) de la portion amont (323).

Description

Dispositif mélangeur favorisant une distribution homogène d’un mélange diphasique, installation d’échange de chaleur et procédé de mélange associé
La présente invention concerne un dispositif mélangeur pour distribuer de façon plus homogène un mélange de deux phases liquide/gaz dans au moins un passage d’un échangeur de chaleur ainsi qu’une installation d’échange de chaleur comprenant un tel dispositif mélangeur.
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 atteinte par les fluides qui se refroidissent, 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 première phase et une deuxième phase . Ces deux phases sont séparées au moyen d’un séparateur de phases puis réintroduites dans l’échangeur et remélangées avant d’être réintroduites 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 par passage, 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 la série 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, i. e. un courant diphasique, 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 à serration (du terme « serrated » en langue anglaise). Ainsi les ondes de type « serrated » ont tendance à dévier une partie du fluide de sa direction d’écoulement et les ondes perforées mettent en relation fluidique les canaux formés par les ondes.
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. En outre, un telle répartition par déviation latérale du fluide n’est pas possible avec des ondes droites non perforées.
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 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 première phase dans cette zone. L’augmentation du nombre de canaux se succédant dans la largeur de l’échangeur conduit à diminuer le débit de la première phase au travers de chaque orifice de chaque canal et nuit à la bonne distribution du mélange diphasique en sortie du dispositif mélangeur. 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 dispositif mélangeur permettant une distribution plus homogène d’un mélange diphasique dans la largeur d’un passage d’échangeur de chaleur tout en limitant les pertes de charge que peut subir le mélange diphasique à la sortie du dispositif mélangeur.
La solution selon l’invention est alors un dispositif mélangeur pour distribuer un mélange d’une première phase et d’une deuxième phase d’un premier fluide globalement suivant une direction longitudinale dans au moins un passage d’un échangeur de chaleur, ledit dispositif mélangeur 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 canal latéral à au moins un canal longitudinal de sorte que le dispositif mélangeur est configuré pour distribuer un mélange de la première phase et de la deuxième phase par la deuxième sortie dudit au moins un canal longitudinal, caractérisé en ce que ledit au moins un canal longitudinal est divisé, suivant la direction longitudinale, en au moins une portion amont et une portion aval ayant chacune une longueur mesurée dans la direction longitudinale et une largeur mesurée dans la direction latérale, la portion aval étant agencée entre la portion amont et la deuxième sortie, ladite portion aval ayant, en tout point de sa longueur, une largeur supérieure à la largeur de la portion amont.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la portion aval présente une largeur croissante, de préférence croissante continue, sur sa longueur en direction de la deuxième sortie.
- la portion aval présente une largeur minimale et une largeur maximale avec le rapport DM / Dm supérieur ou égal à 1,1, de préférence supérieur ou égal à 1 ,8 et/ou inférieur ou égal à 4.
- tout ou partie de la portion aval présente, en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale et à la direction latérale, un profil externe en forme de trapèze isocèle.
- tout ou partie de la portion aval présente, en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale et à la direction latérale, un profil externe curviligne.
- la portion aval débouche au niveau d’une face aval du dispositif mélangeur, le profil externe formant un angle, mesuré entre la tangente audit profil externe au point d’intersection avec la face aval et l’axe de symétrie du canal longitudinal, compris entre 5 et 85°.
- la portion amont du canal longitudinal est raccordée à la portion aval par une extrémité, ledit au moins un orifice débouchant dans ledit canal longitudinal au niveau de la portion amont à une distance de l’extrémité, de préférence est supérieure ou égale à 4% et de préférence comprise entre 7 et 90 % de la longueur de la portion amont.
- le moins un orifice est agencé de sorte que, lorsque la première phase s’écoule à partir de la première entrée du canal latéral et la deuxième phase s’écoule à partir de la deuxième entrée du canal longitudinal, le mélange de la première phase et de la deuxième phase a lieu en amont de la portion aval.
- le ou les orifices du dispositif mélangeur débouchent tous au niveau de la portion amont d’un canal longitudinal.
- chaque canal longitudinal de la série de canaux longitudinaux comprend au moins un orifice débouchant au niveau de sa portion amont, la position du au moins un orifice suivant la direction longitudinale variant entre les canaux longitudinaux. - la longueur de la portion amont et la longueur de la portion aval sont telles que le rapport l_3 / L4 est compris entre 1 et 15, de préférence entre 3 et 12.
- tout ou partie de la portion amont présente, en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale et à la direction latérale, un profil externe rectiligne avec une largeur constante qui est de préférence égale à la largeur minimale de la portion aval.
- la portion aval présente une profondeur, mesurée dans une direction dite d’empilement qui est perpendiculaire à la direction longitudinale et perpendiculaire à la direction latérale, croissante en direction de la deuxième sortie.
- le canal longitudinal comprend au moins un obstacle agencé de manière à subdiviser la portion aval en plusieurs canaux intermédiaires débouchant au niveau de la deuxième sortie, de préférence lesdits canaux intermédiaires sont agencés de façon symétrique par rapport à l’axe de symétrie du canal longitudinal.
- au niveau de la deuxième sortie, la surface totale dudit au moins un obstacle mesurée dans un plan de coupe transversale perpendiculaire à la direction longitudinale représente entre 20 et 80%, de préférence entre 30 et 70%, de la section totale de passage de fluide de la surface de la portion aval mesurée dans ledit plan de coupe transversale.
- le au moins un obstacle présente une largeur, mesurée suivant la direction latérale, croissante en direction de la deuxième sortie, avec de préférence au moins un obstacle présentant, selon un plan de coupe longitudinale, un profil externe curviligne.
- le canal longitudinal comprend en outre au moins un canal d’équilibrage mettant en communication fluidique les canaux intermédiaires.
En outre, l’invention concerne 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 du 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 passage du premier ensemble comprenant un dispositif mélangeur selon l’invention. Par ailleurs, l’invention concerne une installation d’échange de chaleur comprenant :
- 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,
- une source d’une première phase du premier fluide reliée fluidiquement à au moins un premier collecteur de l’échangeur de chaleur,
- une source d’une deuxième phase du premier fluide reliée fluidiquement à au moins un deuxième collecteur de l’échangeur de chaleur,
- un dispositif mélangeur selon l’invention, ledit dispositif mélangeur étant agencé dans au moins un passage de la première série et configuré pour distribuer le premier fluide formé d’un mélange de la première phase et de la deuxième phase dans ledit passage de la première série, la première entrée du canal latéral étant en communication fluidique avec ledit premier collecteur, et la deuxième entrée étant en communication fluidique avec le deuxième collecteur, la première phase étant une phase liquide et la deuxième phase étant une phase gazeuse.
De préférence, la première phase est une phase liquide. La deuxième phase est une phase gazeuse.
Selon un autre aspect, l’invention a trait à un procédé de mélange d’une première phase et d’une deuxième phase d’un premier fluide dans un dispositif mélangeur selon l’invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : i) introduction de la première phase du premier fluide par au moins une première entrée du canal latéral, ii) introduction de la deuxième phase du premier fluide par une deuxième entrée de chaque canal longitudinal, la deuxième phase s’écoulant dans chaque canal longitudinal suivant la direction longitudinale jusqu’à une deuxième sortie dudit canal longitudinal, iii) écoulement d’au moins une partie de la première phase depuis le canal latéral vers le canal longitudinal par l’orifice de façon à mélanger de la première phase avec la deuxième phase dans le canal longitudinal, iv) distribution du mélange de la première phase et de la deuxième phase par la deuxième sortie de chaque canal longitudinal.
De préférence, le mélange de la première phase avec la deuxième phase est réalisé en amont de la portion aval.
Par ailleurs, l’invention concerne un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel en tant que deuxième fluide par échange de chaleur avec au moins un courant réfrigérant diphasique en tant que premier fluide, ledit procédé mettant en oeuvre un procédé de mélange selon l’invention et comprenant les étapes suivantes : a) introduction du courant d’hydrocarbures dans un deuxième ensemble de passages d’un échangeur de chaleur, 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 deuxième phase et une première phase, e) agencement d’un dispositif mélangeur dans au moins un passage d’un premier ensemble de passages de l’échangeur de chaleur, f) introduction d’au moins une partie de la deuxième phase et d’un moins une partie de la première phase dans le dispositif mélangeur de façon à obtenir un premier fluide formé d’un mélange de la première phase et de la deuxième phase à la sortie du dispositif mélangeur, g) vaporisation d’au moins une partie du premier fluide issu de l’étape f) dans le passage 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 une installation d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 2 est vue schématique tridimensionnelle d’un dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 3 est vue schématique en coupe transversale 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 longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 5 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 6 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 7 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 8 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 9 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Fig. 10 représente une configuration de dispositif mélangeur et d’échangeur selon l’invention utilisée pour réaliser des simulations d’écoulement de fluide.
Fig.11 représente les résultats de simulations d’écoulement de fluide avec un dispositif mélangeur configuré selon l’art antérieur et avec un dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 12 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 13 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 dispositif mélangeur 3 selon l’invention. L’échangeur 1 est de préférence du type à plaques et ailettes brasés. Il comprend 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 un espacement entre chaque plaque et forment ainsi une superposition de passages pour l’écoulement de 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 passage 10 (un seul passage est visible sur Fig. 1 ) pour canaliser au moins un premier fluide F1 , et un deuxième ensemble de passages 20 (non visibles sur Fig. 1 ) pour canaliser au moins un deuxième fluide F2, l’écoulement desdits fluides ayant lieu globalement suivant la direction z. Les passages 10 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 10, 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 10, 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 10 du premier ensemble sont disposées en coïncidence les unes au-dessus des autres dans la direction d’empilement x des passages, qui est perpendiculaire aux directions y et z, tandis que les ouvertures des passages 20 du deuxième ensemble sont disposées dans les autres coins de l’échangeur localisés sur Fig. 1 par les flèches F2, avec l’entrée et la sortie pour le deuxième fluide F2 localisées respectivement en haut à gauche et en bas à droite. 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 10, 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’autre 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 10, 20.
En outre, les passages 10, 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 10, 20, parallèlement aux plaques 2, dans le prolongement des ondes de distribution selon la longueur des passages. Les passages 10, 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 passage 10 du premier ensemble configuré pour l’écoulement d’un premier fluide F1 se présentant sous la forme d’un mélange de deux phases, encore appelé mélange diphasique. Le premier ensemble comprend plusieurs passages 10 de ce type superposés les uns aux autres. 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. Le séparateur 6 forme alors une source de première phase et de deuxième phase. Par « source » de fluide, on entend tout moyen adapté à alimenter les canaux du dispositif mélangeur en un fluide. De préférence, la première phase 61 est liquide et la deuxième phase 62 est gazeuse. Dans le cas où le canal longitudinal est configuré pour un écoulement vertical et dans le sens ascendant de la première phase et du mélange diphasique à la deuxième sortie, la gravité a un impact moindre sur l’écoulement de la phase gazeuse par rapport à celui de la phase liquide. L’entraînement de la phase liquide dans l’orifice 34 est facilité par la vitesse plus importante de la phase gazeuse. En outre, la présence de la phase gazeuse facilite l’écoulement de la phase liquide une fois ladite phase liquide introduite dans le canal longitudinal par l’orifice 34.
Les phases 61, 62 sont ensuite mélangées l’une avec l’autre au moyen d’un dispositif mélangeur 3 agencé dans au moins un passage 10. Avantageusement, plusieurs passages 10, voire la totalité des passages 10 du premier ensemble comportent un dispositif mélangeur 3. Les collecteurs semi-tubulaires 52 et 55 sont reliées fluidiquement aux entrées et sorties des passages 10. Le premier collecteur 30 est relié fluidiquement à au moins une première entrée 311 du dispositif mélangeur 3. Le deuxième collecteur 52 est relié fluidiquement à au moins une deuxième entrée 321 du dispositif mélangeur 3. Les premier et deuxième collecteurs peuvent être tout moyen collecteur adapté pour collecter un fluide à partir d’une source de fluide et introduire ledit fluide dans un ou plusieurs passages d’un échangeur de chaleur.
Notons que Fig. 1 illustre un dispositif mélangeur 3 positionné à une certaine distance de la zone de distribution 51 de l’échangeur 1. Selon une variante de réalisation, le dispositif mélangeur 3 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 dispositif mélangeur 3 se composant avantageusement d’une barre, ou baguette, logée dans un passage 10.
Le dispositif mélangeur 3 s’étend de préférence dans la section du passage 10 sur la quasi-totalité, voire la totalité, de la hauteur du passage 10, de sorte que le dispositif mélangeur est en contact avec chaque plaque 2 formant le passage 10.
Le dispositif mélangeur 3 est avantageusement fixé aux plaques 2 par brasage. Le dispositif mélangeur 3 est avantageusement de forme générale parallélépipédique.
De préférence, le dispositif mélangeur 3 est une pièce monolithique, i. e. formée d’un bloc ou d’un seul tenant. Le dispositif mélangeur 3 peut être fabriqué par usinage conventionnel ou par fabrication additive. Le dispositif mélangeur 3 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 dispositif mélangeur 3 comprend au moins un canal latéral 31 configuré pour l’écoulement de la première phase 61 du premier fluide F1 à partir d’au moins une première entrée 311. De préférence, le canal latéral 31 s’étend parallèlement à la direction latérale y.
Il comprend en outre une série de canaux longitudinaux 32 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 321 jusqu’à une deuxième sortie 322, lesdits canaux longitudinaux 32 étant agencés à des positions successives y,, yi+i,... suivant la direction latérale y.
De préférence, le canal latéral 31 s’étend sur toute la deuxième dimension et/ou le canal longitudinal 32 s’étend sur toute la première dimension.
De préférence, le dispositif mélangeur 3 comprend au moins une première entrée 311 en communication fluidique avec le premier collecteur 30 et une deuxième entrée 321 , séparée, i. e. distincte, de la première entrée 311 , 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 311 et ladite au moins une deuxième entrée 321 sont mises en communication fluidique via au moins un orifice 34. En fait, le dispositif mélangeur est configuré pour une introduction séparée de la première phase et de la deuxième phase, la première entrée 311 étant adaptée pour une alimentation en la première phase 61 du canal latéral 31 et ladite au moins une deuxième entrée 321 étant adaptée pour alimenter les canaux longitudinaux 32 en la deuxième phase 62.
Les première et deuxième entrées sont avantageusement formées en faisant déboucher les canaux latéraux et longitudinaux au niveau des bords périphériques latéraux et longitudinaux du dispositif 3. Fig. 2 montre une introduction de la première phase 61 par une extrémité du dispositif 3 comprenant plusieurs premières entrées 311. Selon une réalisation avantageuse, le dispositif mélangeur 3 comprend au moins une autre première entrée pour la première phase 61 situées à une extrémité opposée du dispositif 3. Avantageusement, ces autres entrées sont obtenues en prolongeant les canaux latéraux 31 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 dispositif mélangeur 3 comprend un volume mélangeur situé dans le canal longitudinal 32, 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 est relié fluidiquement à au moins un canal longitudinal 32 de sorte que, lorsque la première phase 61 s’écoule dans le canal latéral 31 et la deuxième phase 62 s’écoule dans le canal longitudinal 32, le dispositif mélangeur 3 distribue par une deuxième sortie 322 du canal 32 un mélange de la première phase 61 et de la deuxième phase 62, de préférence un mélange à deux phases liquide/gaz F 1 , également appelé mélange diphasique. De préférence, le canal longitudinal et/ou le canal latéral ont des formes globalement rectilignes.
Les canaux 31, 32 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 3.
De préférence, les canaux 31 , 32 ont une section transversale de forme carrée 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 3 et s’étendant entre le premier canal 31 et le deuxième canal 32, 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 comprend une paroi de fond 3c et ledit au moins un canal longitudinal 32 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 premier canal 31 et débouchant dans la paroi de sommet du canal longitudinal 32.
Fig. 3 est une vue du dispositif mélangeur 3 de Fig. 2 dans un plan de coupe orthogonal à la direction latérale y et passant par un orifice 34.
Selon l’art antérieur, on agence dans les passages 10 du premier ensemble des dispositifs mélangeurs 3 ayant des canaux longitudinaux dont la largeur, mesurée suivant la direction latérale y, reste constante le long de la direction longitudinale z, en particulier des canaux longitudinaux de forme parallélépipédique telle que la forme des canaux latéraux 31 visibles sur Fig. 2.
En sortie de chaque canal longitudinal 32, l’écoulement du mélange à deux phases du premier fluide F1 a lieu préférentiellement suivant la direction longitudinale z, avec une expansion progressive de l’écoulement dans la largeur du passage 10. 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 10 du premier ensemble.
Afin de résoudre ces problèmes, la présente invention propose d’agencer dans un passage 10 du premier ensemble, un dispositif mélangeur 3 dont au moins un canal longitudinal 32 est divisé, suivant la direction longitudinale z, en une portion amont 323 et une portion aval 324 ayant chacune une longueur L3, L4 mesurée dans la direction longitudinale z et une largeur D3, Dy mesurée parallèlement à la direction latérale y, la portion aval 324 étant agencée entre la portion amont 323 et la deuxième sortie 322. Selon l’invention, la portion aval 324 présente, en tout point de sa longueur L4, une largeur Dy supérieure (strictement) à la largeur D3 de la portion amont 323.
Notons que le terme « largeur » s’entend de la distance mesurée entre les bords délimitant le canal longitudinal 32 dans un plan de coupe longitudinale prédéterminé qui est parallèle à la direction longitudinale z et parallèle à la direction latérale y, c’est-à-dire la largeur du profil externe du canal dans ledit plan de coupe, comme montré par exemple sur Fig. 4 à Fig. 9.
L’agencement d’une portion aval présentant un élargissement dans la direction latérale y favorise l’expansion latérale du mélange diphasique sortant du canal longitudinal 32. Les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que le jet de fluide formait un cône de base plus large en sortie de canal longitudinal, ce qui permettait au fluide sortant du canal longitudinal 32 d’irriguer un plus grand nombre de canaux d’échange d’une onde d’échange positionnée, en fonctionnement, en aval du dispositif mélangeur 3. On peut ainsi obtenir une homogénéisation plus rapide avec les jets de fluide sortant des canaux longitudinaux voisins.
Les disparités de débit de mélange dans la largeur du passage 10 se trouvent ainsi réduites, voire éliminées, après une distance de propagation plus courte du mélange en aval du dispositif mélangeur 3. Les échanges thermiques entre le mélange diphasique et le deuxième fluide F2, et de là le fonctionnement de l’échangeur, sont améliorés.
En outre, l’élargissement de la portion aval dans la direction latérale y offre la possibilité, dans les cas où le débit massique de mélange diphasique dans le canal longitudinal 32 est relativement élevé, d’induire un ralentissement de l’écoulement du mélange au niveau de la portion aval, et ainsi de réduire les pertes de charge subies par le mélange diphasique en sortie du canal longitudinal 32, lorsqu’il irrigue les ondes d’échange situées en aval du dispositif mélangeur 3.
De préférence, plusieurs canaux de la série de canaux longitudinaux 32, de préférence encore la totalité, sont configurés selon l’invention et peuvent comprendre tout ou partie des caractéristiques décrites ci-après.
De préférence, la portion aval 324 débouche au niveau d’une face aval 326 du dispositif mélangeur 3, la deuxième sortie 322 étant aménagée au niveau de la face aval 326. Au moins une partie de la première phase 61 s’écoulant dans le canal latéral 31 alimente l’orifice 34 pour s’écouler dans le canal longitudinal où s’opère le mélange. La deuxième phase 62 s’écoule successivement dans les portions amont 323 et aval 324. Le mélange est distribué par la deuxième sortie 322.
De préférence, la portion aval 324 présente une largeur Dy croissante suivant la longueur L4 en direction de la deuxième sortie 322, de préférence croissante sur toute la longueur L4.
Notons que l’élargissement de la portion aval suivant la direction longitudinale z peut être induit de façon ponctuelle, en une ou plusieurs fois, ou bien de façon progressive, i. e. être croissante continue, le long de tout ou partie de la portion aval 324.
De préférence, la largeur Dy de la portion aval 324 augmente de façon continue, i. e progressivement, sur toute la longueur L4 en direction de la deuxième sortie 322. On limite ainsi les pertubations que pourraient occasionner des variations brusques de largeur de canal dans l’écoulement du mélange.
De préférence, la portion aval 324 présente une largeur minimale Dm et une largeur maximale DM avec le rapport DM / Dm supérieur ou égal à 1 ,1 , de préférence supérieur ou égal à 1 ,8 et/ou inférieur ou égal à 4. Un tel rapport dimensionnel permet d’augmenter suffisamment la largeur du canal longitudinal 32 au niveau de l’extrémité 322 sans toutefois augmenter de façon excessive la longueur du canal longitudinal 32 selon la direction z et en conservant une simplicité d’usinage du canal longitudinal 32.
En particulier, la largeur DM peut être comprise entre 6 et 25 mm, de préférence entre 8 et 20 mm.
Notons par ailleurs qu’un dispositif mélangeur selon l’invention peut être destiné à être agencé dans un passage 10 pourvu, en aval du dispositif mélangeur, d’au moins une onde d’échange comprenant des canaux d’échange ayant chacun une largeur comprise entre 0,6 et 2 mm, de préférence une largeur d’au moins 0,7 mm et/ou d’au plus 1 ,5 mm.
De préférence, la largeur minimale Dm est mesurée au niveau de l’extrémité 324a de la portion aval 324 et la largeur maximale DM est mesurée au niveau de la deuxième sortie 322.
Avantageusement, le canal longitudinal 32 est délimité par des parois latérales 325 formant, dans un plan de coupe longitudinale qui est parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y, un profil externe dudit canal 32 d’axe de symétrie AA’ parallèle à la direction longitudinale z.
Notons que les parois latérales 325 du canal sont de préférence érigées dans une direction qui est orthogonale aux directions longitudinale z et latérale y. Les parois 325 présentent avantageusement une hauteur, mesurée suivant la direction x, constante sur toute la longeur du canal 32.
De façon alternative, on pourra envisager une variation de la hauteur des parois 325, en particulier une augmentation de ladite hauteur en direction de la deuxième sortie 322, c’est-à-dire une portion aval 324 dont la profondeur augmente en direction de la deuxième sortie 322, jusqu’à éventuellement atteindre la hauteur du passage 10 au niveau de la deuxième sortie 322. Cela fournit un degré de liberté supplémentaire pour augmenter la section de passage de fluide de la portion aval 324 et ainsi ralentir le fluide afin de l’homogénéiser également dans la hauteur du passage 1 0.
Avantageusement, au moins une partie de la portion aval 324 présente un profil externe curviligne, de préférence un profil externe de forme convexe. Fig. 4 schématise un exemple de réalisation d’un canal longitudinal 32 comprenant une telle portion aval 324. La présence d’un profil externe curviligne au niveau de la portion aval assure un meilleur guidage de l’écoulement du fluide dans la portion aval jusqu’à sa sortie du dispositif mélangeur, en particulier on évite d’éventuels phénomènes de décollement, recirculation de fluide ou turbulence qui pourraient résulter d’arêtes vives sur les parois et occasionneraient des pertes de charges additionnelles non souhaitables sur le fluide.
Il est aussi possible que tout ou partie de la portion aval 324 présente, en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y, un profil externe en forme de trapèze isocèle, les parois latérales au niveau de cette portion étant des parois rectilignes. Fig. 5 schématise un exemple dans lequel la totalité de la portion aval 324 présente un tel profil externe.
En particulier, en considérant une face aval 326 du dispositif mélangeur 3 au niveau de laquelle la portion aval 324 débouche, le profil externe peut former un angle Q, mesuré entre la tangente T audit profil externe au point d’intersection avec la face aval 326 et l’axe de symétrie AA’, compris entre 5 et 85°. Ces valeurs permettent d’augmenter suffisamment la largeur du canal 32 au niveau de la deuxième sortie 322 pour favoriser une meilleure répartition du fluide diphasique F1 dans la largeur de l’échangeur selon la direction y, sans toutefois_créer un élargissement trop rapide qui pourrait occasionner des pertes de charge du fluide F1 et sans augmenter de façon excessive la longueur L4 et donc la longueur du dispositif mélangeur 3.
Fig. 9 représente un mode de réalisation dans lequel l’élargissement de la portion aval suivant la direction longitudinale z est induit de façon ponctuelle, en une fois, au niveau de l’extrémité 324a.
De préférence, la portion amont 323 est raccordée à la portion aval 324 par son extrémité 324a.
Avantageusement, la portion amont 323 présente une longueur L3 mesurée suivant la direction longitudinale z avec le rapport L3 / L4 compris entre 1 et 15, de préférence entre 3 et 12. A titre d’exemple, la longueur l_4 peut être comprise entre 5 et 40 mm. La longueur L3 peut être comprise entre 30 et 70 mm.
Avantageusement, ledit au moins un orifice 34 débouche dans le canal longitudinal 32 au niveau de sa portion amont 323, de préférence, à une distance Lz de l’extrémité 324a de la portion aval 324 avec Lz au moins égale à 4 %, de préférence encore comprise entre 7 et 90 %, et encore plus préférentiellement allant de 10 à 50 %, de la longueur L3 de la portion amont (323). En particulier, l’orifice 34 peut déboucher à une distance Lz comprise entre 3 et 70 mm de l’extrémité 324a de la portion aval 324. Avantageusement, le ou les orifices 34 d’un canal longitudinal 32 débouchent tous au niveau de sa portion amont 323. Le dispositif mélangeur est avantageusement exempt d’orifice 34 débouchant au niveau de sa portion amont 324.
On assure ainsi le mélange de la première phase 61 et de la deuxième phase 62 suffisamment en amont de la portion aval 324 pour que, d’une part, le fluide diphasique ait le temps de bien s’homogénéiser avant d’entrer dans la portion aval 324 et, d’autre part, pour que d’éventuelles zones de recirculation du fluide dans la portion aval 324 ne viennent pas perturber le flux de la première phase 61 via l’orifice 34 du canal latéral 31 au canal longitudinal 32, ce qui pourrait induire de la maldistribution. La vitesse plus élevée de la deuxième phase 62 dans la portion 323 du canal 32 par rapport à la vitesse du fluide F1 dans la portion 324 permet également de faciliter le passage de la phase 61 du canal 31 au canal 32 via l’orifice 34 du fait de l’inertie élevée de la phase 61 par la phase 62 et de l’entraînement qui en résulte.
Notons que, de préférence, la position du au moins un orifice 34 suivant la direction longitudinale z varie entre les canaux longitudinaux. C’est notamment pour cette raison que certains orifices 34 peuvent être plus proches de l’extrémité 324a que d’autres.
Par ailleurs, notons que dans le cadre de l’invention, les canaux longitudinaux présentent avantageusement des caractéristiques dimensionelles identiques, i. e. un même profil externe, une même profondeur, un même rapport L3 / L4, une même distance Lz, bien qu’il soit possible dans certaines configurations, de faire varier au moins une caractéristique d’au moins un canal par rapport aux autres, notamment le rapport de longueurs des portions aval et amont.
De préférence, et comme illustré par exemple sur Fig. 4 notamment, tout ou partie de la portion amont 323 présente un profil externe rectiligne avec une largeur Ü3 constante, de préférence égale à la largeur minimale Dm de la portion aval 324. Selon une possiblité, il peut être envisagé que la portion amont 323 présente une largeur D3 variable sur tout ou partie de sa longueur, Dy étant supérieure à la valeur maximale pouvant être atteinte par D3.
Fig. 6 et Fig. 7 schématisent des modes de réalisation selon lesquels le canal longitudinal 32 comprend au moins un obstacle 327 agencé de manière à subdiviser la portion aval 324 en plusieurs canaux intermédiaires 328 débouchant au niveau de la deuxième sortie 322.
Cela empêche le mélange de s’écouler totalement suivant la direction longitudinale z et force l’écoulement à s’élargir dans la direction latérale y. La création de canaux intermédiaires est particulièrement avantageuse lorsque le débit massique dans le canal longitudinal 32 est relativement élevé car dans ce cas, le mélange présente une inertie importante suivant la direction longitudinale z, c’est-à- dire qu’il a tendance à continuer à s’écouler suivant la direction z, même lorsque le canal longitudinal s’élargit.
La mise en place d’un ou plusieurs obstacles permet de modifier la direction d’écoulement du mélange diphasique en donnant une composante suivant la direction y à sa vitesse. On augmente ainsi l’ouverture angulaire du jet de fluide en sortie de canal longitudinal, ce qui permet d’alimenter un plus grand nombre de canaux d’échange positionnés an aval du dispositif mélangeur.
On peut également se servir des obstacles afin de garder constante ou quasi- constante, éventuellement réduire, la section de passage de fluide au niveau de la portion aval, et ce malgré son élargissement. A noter que par « section de passage de fluide » on entend la surface à travers laquelle le fluide s’écoule mesurée perpendiculairement à la direction longitudinale z. Ceci de façon à assurer une expansion latérale du mélange, sans pour autant augmenter la section de passage de fluide.
On rééquilibre ainsi les pertes de charges le long du canal longitudinal.
De préférence, au niveau de la deuxième sortie 322, la surface totale dudit obstacle 327 mesurée dans un plan de coupe transversale perpendiculaire à la direction longitudinale z, représente entre 20 et 80%, de préférence entre 30 et 70%, de la section totale de passage de fluide de la portion aval (324) mesurée dans ledit plan de coupe transversale. Dans le cas de plusieurs obstacles, on entend la surface totale comme la somme des surfaces de chaque obstacle.
On pourra notamment prévoir que la surface de l’obstacle, mesurée à une distance de 1 mm suivant la direction longitudinale z, dans le sens de l’écoulement du fluide, après le point d’apparition dans le canal 32, c’est-à-dire à une position dite d’impact située à 1 mm après le point d’apparition de l’obstacle où le fluide impacte sur l’obstacle, représente entre 1% et 80% de la section de passage de fluide du canal 32 déterminé dans un plan de coupe transversale positionné à la position d’impact.
Selon un mode de réalisation particulier, le canal longitudinal 32 comprend en outre au moins un canal d’équilibrage 329 mettant en communication fluidique les canaux intermédiaires 328. Cela permet de rééquilibrer les pressions de fluide antre les canaux intermédiaires 328, dans le cas où il existe des disparités de débit et pression de fluide entre les canaux intermédiaires. Fig. 8 représente un exemple d’une telle configuration.
Avantageusement, on prévoit un nombre pair de canaux intermédiaires afin de conserver une symétrie de distribution selon l’axe AA’ du mélange au sein du canal longitudinal.
Le ou les obstacles pourront être fabriqués avec le canal longitudinal par fraisage, par moulage par injection d'un métal, par électro-érosion ou par usinage laser. On pourra également envisager une méthode fabrication additive.
De préférence, les obstacles 327 présentent une hauteur égale à celles des parois latérales du canal longitudinal.
De préférence, ledit au moins un obstacle 327 présente une largeur dy, mesurée suivant la direction latérale y, croissante en direction de la deuxième sortie 322, avec de préférence un profil externe curviligne, convexe et/ou concave. Cela permet de conformer l’obstacle de manière à éviter des pertes de charge additionnelles du fluide F1 dans la portion aval 324 du canal 32 par décollement du fluide au niveau des parois de l’obstacle ou du fait de zones de recirculation du fluide.
De préférence, plusieurs passages 10 du premier ensemble, avantageusement la totalité des passages 10, comprennent un dispositif mélangeur selon l’invention.
De préférence, au moins un passage 20 du deuxième ensemble est agencé entre au moins une paire de passage 10 consécutifs du premier ensemble. De préférence, les canaux longitudinaux 32 du dispositif mélangeur 3 sont séparés les uns des autres d’une distance DA constante mesurée parallèlement à la direction longitudinale y.
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 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.
La distance DA peut être comprise entre 10 et 40 mm, de préférence supérieure ou égale à 20 mm et inférieure ou égale à 30 mm.
Afin d’illustrer l’effet d’homogénéisation obtenu avec l’invention, Fig. 11 montre les résultats d’une simulation de la propagation d’un mélange à deux phases dans un canal longitudinal d’un dispositif mélangeur classique (configuration A) et dans un canal longitudinal d’un dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention (configuration B).
Dans la configuration A, le dispositif mélangeur était 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. Chaque rainure mesurait 7 mm en largeur, 70 mm en longueur et 7 mm en hauteur.
Dans la configuration B, schématisée partiellement en Fig. 10, les dispositifs mélangeurs étaient sous la forme de barres rainurées avec des rainures se succédant à intervalles réguliers de 30 mm. Chaque rainure était sous la forme d’un canal longitudinal avec une portion amont 323 ayant pour dimensions 7 mm de largeur, 63 mm de longueur et 7 mm de hauteur. La portion aval 324 était de forme tronconique de largeur 7 mm au niveau de l’extrémité 324a et 14 mm au niveau de la deuxième sortie 322. La portion amont 323 avait une longueur de 7 mm et une hauteur de 7 mm. Un obstacle de forme triangle isocèle était placé dans la portion aval 324, de façon symétrique par rapport à l’axe de symétrie AA’, de hauteur 7 mm selon la direction z et de largeur de la base 7 mm au niveau de la deuxième sortie 322. La largeur DM était deux fois plus élevée que D3. Le rapport L3 / L4 était de 8 et la longueur Lz était de 5 mm. L’angle Q était de 45°. A noter que la configuration B correspond au cas particulier selon lequel la section de passage de fluide de la portion aval est maintenue constante suivant la direction longitudinale z du fait de la présence de l’obstacle bien que la largeur de ladite portion augmente en direction de la deuxième sortie 322.
Les canaux longitudinaux des dispositifs mélangeurs des configurations A et B étaient agencés en même nombre et à des positions identiques y,, yi+i,... suivant la direction latérale y.
Dans les configurations A et B, des ondes 11 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 23 ailettes par pouce (1 pouce=25,4 millimètres), mesurée suivant la direction latérale y.
La simulation est un calcul de type CFD en trois dimensions par méthode des éléments finis, qui est l’acronyme en lanque anglaise de « Computational Fuid Dynamics », pour « mécanique des fluides numérique ».
Fig. 11 montre l’évolution de la valeur de la plus petite vitesse adimensionnée du fluide suivant la direction longitudinale z (notée Vz) mesurée sur des coupes successives des ondes situées après la sortie 322 dans des plans parallèles aux directions x et y, pour plusieurs valeurs de distances entre la sortie 322 et lesdits plans. Ces valeurs de vitesse sont représentatives de la qualité de la distribution du fluide dans les ondes : une valeur négative indique la présence d’une zone de recirculation, avec du fluide stagnant au centre de la zone. Une valeur nulle indique la présence de fluide stagnant. Le fluide stagnant n’étant pas renouvelé, il ne participe pas à l’échange thermique et réduit l’efficacité globale de l’échangeur.
Un indicateur de performance de la distribution de fluide est la distance minimale nécessaire suivant la direction longitudinale z à partir de laquelle tout le fluide a une vitesse positive selon la direction longitudinale z.
On constate que la distance minimale nécessaire est réduite 45 à 31 mm, soit une réduction de 35% dans la configuration B selon l’invention par rapport à la configuration classique A. Grâce à l’invention, on améliore donc significativement l’homogénéisation du mélange à deux phases distribué par un dispositif mélangeur et on améliore l’efficacité de l’échangeur.
Fig. 12 et Fig. 13 montrent des exemples de procédés mettant en oeuvre un ou plusieurs échangeurs selon l’invention. Fig. 12 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 10 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 considéré.
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 première phase et une deuxième phase . 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 majoritairement gazeux d’une part et un courant majoritairement liquide d’autre part.
La deuxième phase 62 est introduite par le collecteur 52 qui alimente les deuxièmes entrées 321 de dispositifs mélangeurs 3 agencés dans les passages 10 du premier ensemble. La première phase 61 est introduite par le premier collecteur 30 qui alimente les premières entrées 311 de dispositifs mélangeurs 3 agencés dans chaque passage 10 (non illustrés sur Fig. 9).
De préférence, la deuxième phase 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 passages 10 de l'échangeur 1 munis chacun de dispositifs mélangeurs 3 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 10 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. 12). 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. 12, 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 œuvre 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. 13 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. 13, 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 première phase et une deuxième phase . 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. 13, trois fractions, également appelées débits ou courants partiels, 301 , 302, 303 du courant réfrigérant supplémentaire 300 en première phase 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 première phase 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 202 et le courant réfrigérant supplémentaire 300.
Avantageusement, on agence dans l’échangeur supplémentaire 2 au moins deux types de dispositifs mélangeurs 2 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. Dispositif mélangeur (3) pour distribuer un mélange d’une première phase (61 ) et d’une deuxième phase (62) d’un premier fluide (F1 ) globalement suivant une direction longitudinale (z) dans au moins un passage (10) d’un échangeur de chaleur (1), ledit dispositif mélangeur (3) comprenant : au moins un canal latéral (31) configuré pour l’écoulement de la première phase (61 ) à partir d’au moins une première entrée (311 ), une série de canaux longitudinaux (32) s’étendant suivant la direction longitudinale (z) et configurés chacun pour l’écoulement de la deuxième phase (62) à partir d’une deuxième entrée (321) jusqu’à une deuxième sortie (322), 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 canal latéral (31) à au moins un canal longitudinal (32) de sorte que le dispositif mélangeur (3) est configuré pour distribuer un mélange de la première phase (61) et de la deuxième phase (62) par la deuxième sortie (322) dudit canal longitudinal (32), caractérisé en ce que ledit au moins un canal longitudinal (32) du dispositif mélangeur (3) est divisé, suivant la direction longitudinale (z), en une portion amont
(323) et une portion aval (324) ayant chacune une longueur (l_3, L4) mesurée dans la direction longitudinale (z) et une largeur (D3, Dy) mesurée dans la direction latérale (y), la portion aval (324) étant agencée entre la portion amont (323) et la deuxième sortie (322), ladite portion aval (324) ayant, en tout point de sa longueur (L4), une largeur (Dy) supérieure à la largeur (D3) de la portion amont (323).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion aval
(324) présente une largeur (Dy) croissante continue sur toute sa longueur (L4) en direction de la deuxième sortie (322).
3. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie de la portion aval (324) présente, en coupe longitudinale dans un plan (P) parallèle à la direction longitudinale (z) et à la direction latérale (y), un profil externe en forme de trapèze isocèle.
4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion aval (324) débouche au niveau d’une face aval (326) du dispositif mélangeur (3), le profil externe formant un angle (Q), mesuré entre la tangente (T) audit profil externe au point d’intersection avec la face aval (326) et l’axe de symétrie (AA’) du canal longitudinal (32), compris entre 5 et 85°.
5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion amont (323) du canal longitudinal (32) est raccordée à la portion aval par une extrémité (324a), ledit au moins un orifice (34) débouchant dans ledit canal longitudinal (32) au niveau de la portion amont (323) à une distance (Lz) de l’extrémité (324a), de préférence (Lz) est supérieure ou égale à 4% et de préférence comprise entre 7 et 90 % de la longueur (L3) de la portion amont (323).
6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moins un orifice (34) est agencé de sorte que, lorsque la première phase (61 ) s’écoule à partir de la première entrée du canal latéral (31 ) et la deuxième phase (62) s’écoule à partir de la deuxième entrée (321 ) du canal longitudinal (32), le mélange de la première phase (61 ) et de la deuxième phase (62) a lieu en amont de la portion aval (324).
7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les orifices (34) du dispositif mélangeur (3) débouchent tous au niveau de la portion amont (324) d’un canal longitudinal (32).
8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce chaque canal longitudinal de la série de canaux longitudinaux (32) comprend au moins un orifice (34) débouchant au niveau de sa portion amont (323), la position du au moins un orifice (34) suivant la direction longitudinale (z) variant entre les canaux longitudinaux (32).
9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur (L3) de la portion amont (323) et la longueur (L4) de la portion aval (324) sont telles que le rapport L3 / L4 est compris entre 1 et 15, de préférence entre 3 et 12.
10. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion aval (324) présente une profondeur, mesurée dans une direction dite d’empilement (x) qui est perpendiculaire à la direction longitudinale (z) et perpendiculaire à la direction latérale (y), croissante en direction de la deuxième sortie (322).
11. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal longitudinal (32) comprend au moins un obstacle (327) agencé de manière à subdiviser la portion aval (324) en plusieurs canaux intermédiaires (328) débouchant au niveau de la deuxième sortie (322), de préférence lesdits canaux intermédiaires (328) sont agencés de façon symétrique par rapport à l’axe de symétrie (AA’) du canal longitudinal (32).
12. Installation d’échange de chaleur comprenant :
- 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 (10) 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),
- une source d’une première phase (61) du premier fluide (F1) reliée fluidiquement à au moins un premier collecteur (30) de l’échangeur de chaleur (1 ),
- une source d’une deuxième phase (62) du premier fluide (F1) reliée fluidiquement à au moins un deuxième collecteur (52) de l’échangeur de chaleur (1),
- un dispositif mélangeur (3) tel que défini par l’une des revendications 1 à 11 , ledit dispositif mélangeur (3) étant agencé dans au moins un passage (10) de la première série et configuré pour distribuer le premier fluide (F1) formé d’un mélange de la première phase (61) et de la deuxième phase (62) dans ledit passage (10) de la première série, la première entrée (311) du canal latéral (31) étant en communication fluidique avec ledit premier collecteur (30), et la deuxième entrée (321) étant en communication fluidique avec le deuxième collecteur (52), la première phase (61) étant une phase liquide et la deuxième phase (62) étant une phase gazeuse.
13. Procédé de mélange d’une première phase (61 ) et d’une deuxième phase (62) d’un premier fluide (F1 ) dans un dispositif mélangeur (3) tel que défini par l’une des revendications 1 à 11 , ledit procédé comprenant les étapes suivantes : i) introduction de la première phase (61 ) du premier fluide (F1 ) par au moins une première entrée (311 ) du canal latéral (31 ), ii) introduction de la deuxième phase (62) du premier fluide (F1 ) par une deuxième entrée (321 ) de chaque canal longitudinal (32), la deuxième phase (62) s’écoulant dans chaque canal longitudinal (32) suivant la direction longitudinale (z) jusqu’à une deuxième sortie (322) dudit canal longitudinal (32), iii) écoulement d’au moins une partie de la première phase (61 ) depuis le canal latéral (31 ) vers le canal longitudinal (32) par l’orifice (34) de façon à mélanger de la première phase (61 ) avec la deuxième phase (62) dans le canal longitudinal (32), iv) distribution du mélange de la première phase (61 ) et de la deuxième phase (62) par la deuxième sortie (322) de chaque canal longitudinal (32).
14. Procédé de mélange selon la revendication 13, caractérisé en ce que le mélange de la première phase (61) avec la deuxième phase (62) est réalisé en amont de la portion aval (324).
15. Procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures (102) tel que le gaz naturel en tant que deuxième fluide (F2) par échange de chaleur avec au moins un courant réfrigérant diphasique (203) en tant que premier fluide (F1 ), ledit procédé mettant en oeuvre un procédé de mélange selon l’une des revendications 13 ou 14 et comprenant les étapes suivantes : a) introduction du courant d’hydrocarbures (102) dans un deuxième ensemble de passages (20) d’un échangeur de chaleur (1 ), 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), d) séparation d’au moins une partie du courant réfrigérant diphasique (203) issu de l’étape c) en une deuxième phase (62) et une première phase (61 ), e) agencement d’un dispositif mélangeur (3) dans au moins un passage (10) d’un premier ensemble de passages de l’échangeur de chaleur (1), f) introduction d’au moins une partie de la deuxième phase (62) et d’un moins une partie de la première phase (61 ) dans le dispositif mélangeur (3) de façon à obtenir un premier fluide (F1 ) formé d’un mélange de la première phase (61 ) et de la deuxième phase (62) à la sortie du dispositif mélangeur (3), g) vaporisation d’au moins une partie du premier fluide (F1) issu de l’étape f) dans le passage (10) 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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