La présente invention concerne un échangeur de chaleur comprenant des séries de passages pour l’écoulement d’au moins un fluide frigorigène à mettre en relation d’échange thermique avec un fluide calorigène, l’échangeur comprenant au moins un passage configuré pour l’écoulement dudit fluide frigorigène et d’au moins un autre fluide frigorigène.

La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes brasés, qui permettent d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange.

Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de passages de vaporisation et de passages de condensation, les uns destinés par exemple à vaporiser du liquide frigorigène et les autres à condenser un gaz calorigène. A noter que les échanges de chaleur entre les fluides peuvent avoir lieu avec ou sans changement de phase.

Afin d’introduire et d’évacuer les fluides de l’échangeur, les passages sont munis d’ouvertures d’entrée et de sortie de fluide. Les entrées et sorties placées les unes au-dessus des autres en suivant la direction d’empilement des passages de l’échangeur sont réunies respectivement dans des collecteurs d’entrée et de sortie de forme générale semi-tubulaire, par lesquels s’effectuent la distribution et l’évacuation des fluides.

Plusieurs fluides calorigènes et frigorigène, de nature et/ou de caractéristiques distinctes peuvent circuler dans l’échangeur. Ces fluides forment des courants ou débits distincts qui sont introduits et évacués de l’échangeur par des groupes d’entrées et de sorties dédiées à un type de fluide.

Classiquement, dans le cas où plusieurs fluides frigorigènes circulent dans l’échangeur, les entrées et sorties des différents fluides frigorigènes sont agencées successivement, suivant la longueur de l’échangeur, par ordre de température croissant en partant du bout froid de l’échangeur, c’est-à-dire le point d’entrée dans l’échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse de toutes les températures de l’échangeur. Ainsi, lorsque la température de sortie d’un fluide frigorigène est supérieure à la température d’entrée d’un autre fluide frigorigène, l’autre fluide frigorigène doit entrer dans l’échangeur, en suivant la longueur de l’échangeur, à une position plus proche du bout froid que ne l’est la sortie du fluide frigorigène.

De façon connue, on utilise la méthode du pincement (en anglais Pinch analysis) pour planifier la manière dont circulent les fluides en relation d’échange thermique dans l’échangeur et maximiser l’efficacité énergétique de l’installation.

Le terme de pincement se réfère à l’écart minimum entre la température des fluides frigorigènes, c’est-à-dire les fluides qui se réchauffent dans l’échangeur, et la température des fluides calorigènes, c’est-à-dire les fluides qui se refroidissent dans l’échangeur, et ce en un point donné de l’échangeur. Pour visualiser ce pincement, on évalue l’écart entre deux courbes composites d’un diagramme Chaleur échangée - Température, comme illustré par la Figure 3B (a), l’une étant associée aux flux à chauffer, l’autre aux flux à refroidir. Tant que cet écart minimum est positif, il existe théoriquement un moyen de réduire la consommation énergétique.

Classiquement, afin d’optimiser le pincement entre les courbes du diagramme d’échange issues de la méthode du pincement, on prévoit au moins deux types de passages de fluide frigorigène différents, un type de passage dédié à la circulation d’un fluide frigorigène et au moins un autre type de passage dédié à la circulation de l’autre fluide frigorigène. Ces passages de type différent ne sont pas formés entre la même paire de plaques adjacente de l’échangeur.

Il s’ensuit une complexification de l’échangeur et une augmentation significative du dimensionnement de l’échangeur. En outre, chaque type de passages présente alors une portion importante dans laquelle aucun fluide ne circule, c’est-à-dire une zone inactive en termes d’échange avec le fluide calorigène.

La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un échangeur de chaleur de plus grande compacité et dont l’efficacité thermique et la tenue mécanique sont améliorées.

La solution selon l’invention est alors un échangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques parallèles à une direction longitudinale et définissant entre elles une première série de passages pour l’écoulement d’au moins un fluide frigorigène destiné à échanger de la chaleur avec au moins un fluide calorigène, au moins un passage de la première série défini entre deux plaques adjacentes comprenant :

- une entrée de fluide frigorigène configurée pour introduire le fluide frigorigène dans une portion dudit passage et une sortie de fluide frigorigène configurée pour évacuer le fluide frigorigène de la portion,

caractérisé en ce que ledit au moins un passage de la première série comprend en outre :

- au moins une autre entrée de fluide frigorigène configurée pour introduire un autre fluide frigorigène dans une autre portion dudit passage et au moins une autre sortie de fluide frigorigène configurée pour évacuer l’autre fluide frigorigène de l’autre portion,

lesdites autres entrée et sortie étant agencées de sorte que ledit au moins un passage de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale, en au moins ladite portion pour l’écoulement du fluide frigorigène et ladite autre portion pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène.

Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- plusieurs passages de la première série comprennent chacun au moins une entrée, une sortie, une autre entrée et une autre sortie de fluide frigorigène, lesdites entrées étant reliées fluidiquement à un même collecteur d’entrée, lesdites autres entrées étant reliées fluidiquement à un même autre collecteur d’entrée, lesdites sorties étant reliées fluidiquement à un même collecteur de sortie et lesdites autres sorties étant reliées fluidiquement à un même autre collecteur de sortie.

- l’échangeur comprend une première extrémité au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus faible de l’échangeur, et une deuxième extrémité au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus élevée de l’échangeur, ladite deuxième extrémité étant agencé en aval de la première extrémité en suivant la direction longitudinale, la portion pour l’écoulement du fluide frigorigène étant agencée du côté de la première extrémité et l’autre portion pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène étant agencée entre la portion et la deuxième extrémité.

- les plaques définissent entre elles une deuxième série de passages pour l’écoulement d’au moins un fluide calorigène, au moins un passage de la deuxième série étant adjacent audit au moins un passage de la première série et étant configuré de sorte que, lorqu’un courant de fluide calorigène circule dans ledit passage, ledit courant de fluide calorigène échange de la chaleur avec le fluide frigorigène au niveau d’au moins une partie de la portion et avec l’autre fluide frigorigène au niveau d’au moins une partie de l’autre portion.

- au moins un passage de la deuxième série comprend, au niveau de la seconde extrémité de l’échangeur, une entrée de fluide calorigène configurée pour distribuer le fluide calorigène dans ledit au moins un passage et, au niveau de la première extrémité de l’échangeur, une sortie configurée pour évacuer le fluide calorigène dudit au moins un passage.

- ledit au moins un passage de la première série comprend au moins deux autres entrées configurées pour introduire respectivement au moins deux autres fluides frigorigènes dans au moins deux autres portions respectives dudit passage et au moins deux autres sorties configurées pour évacuer respectivement les au moins deux autres fluides frigorigènes des au moins deux autres portions, lesdites au moins deux autres entrées et au moins deux autres sorties étant agencées de sorte que ledit au moins un passage de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale, en au moins trois portions successives.

L’invention concerne également un procédé d’échange de chaleur mettant en œuvre un échangeur de chaleur selon l’invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

i) introduction d’un courant de fluide calorigène dans au moins un passage d’une deuxième série de passages définis entre les plaques de l’échangeur, ii) introduction d’un fluide frigorigène par l’entrée d’au moins un passage de la première série,

iii)évacuation du fluide frigorigène introduit à l’étape ii) par la sortie dudit passage,

iv) introduction d’au moins un autre fluide frigorigène par ladite autre entrée dudit passage,

v) évacuation de l’autre fluide frigorigène introduit à l’étape iv) par l’autre sortie dudit passage,

ledit courant de fluide calorigène échangeant de la chaleur au moins avec le fluide frigorigène et avec l’autre fluide frigorigène.

De préférence, le fluide frigorigène évacué à l’étape iii) présente une première température et l’autre fluide frigorigène introduit à l’étape iv) présente une deuxième température, la deuxième température étant inférieure à la première température.

Avantageusement, la deuxième température est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la première température.

La présente invention peut s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins deux courants partiels d’un fluide à deux phases liquide-gaz en tant que fluides frigorigènes, en particulier au moins deux courants partiels d’un mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un fluide calorigène, par exemple du gaz naturel.

En particulier, l’invention peut s’appliquer à un procédé de refroidissement, voire de liquéfaction d’un mélange d’hydrocarbures tel que le gaz naturel. En particulier, le procédé de liquéfaction est mis en œuvre dans un procédé de production de gaz naturel liquéfié (GNL).

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. Ainsi, l’invention concerne un procédé de refroidissement d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel en tant que courant de fluide calorigène, ledit procédé mettant en œuvre un échangeur de chaleur selon l’invention ou un procédé d’échange de chaleur selon l’invention et comprenant les étapes suivantes :

a) introduction du courant d’hydrocarbures dans l’échangeur de chaleur,

b) introduction d’un premier courant réfrigérant dans l’échangeur de chaleur,

c) extraction de l’échangeur de chaleur d’un courant partiel réfrigérant et d’au moins un autre courant partiel réfrigérant issus du premier courant réfrigérant,

d) détente du courant partiel réfrigérant et de l’autre courant partiel réfrigérant à des niveaux de pression différents pour produire respectivement le fluide frigorigène et l’autre fluide frigorigène,

e) réintroduction du fluide frigorigène produit à l’étape d) par l’entrée d’au moins un passage de la première série,

f) réintroduction de l’autre fluide frigorigène produit à l’étape d) par l’autre entrée dudit passage,

g) refroidissement du courant d’hydrocarbures par échange de chaleur avec au moins le fluide frigorigène et l’autre fluide frigorigène.

Notons que le courant d’hydrocarbures issu de l’étape g) peut être au moins en partie liquéfié.

Eventuellement, le courant d’hydrocarbures refroidi et/ou au moins partiellement liquéfié à l’étape g) est introduit dans un autre échangeur dans lequel est introduit un deuxième courant réfrigérant. De préférence, le deuxième courant réfrigérant sortant de l'autre échangeur est détendu puis réintroduit dans ledit autre échangeur pour y être vaporisé en réfrigérant le courant d’hydrocarbures et le deuxième courant réfrigérant, de sorte que le courant d’hydrocarbures sort liquéfié et sous-refroidi de l’autre échangeur.

Le premier courant réfrigérant peut être un mélange d’hydrocarbures, par exemple un mélange contenant de l’éthane et du propane. De préférence, le fluide frigorigène produit à l’étape d) présente une première pression et l’autre fluide frigorigène produit à l’étape d) présente une deuxième pression, la deuxième pression étant supérieure à la première pression.

La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux schémas ci-annexés, parmi lesquels :

la Figure 1 est une vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage de fluide frigorigène d’un l’échangeur de chaleur selon l’art antérieur ;

la Figure 2 est une vue schématique en coupe, dans un plan orthogonal aux plaques et parallèle à la direction longitudinale de l’échangeur, de séries de passages de l’échangeur de chaleur de la Figure 1 ;

la Figure 3A est une autre vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage d’un échangeur de chaleur selon un autre mode de réalisation de l’invention ;

la Figure 3B illustre d’une part les courbes de diagramme d’échange d’un échangeur classique tel qu’illustré sur la Figure 1 et d’autre part les courbes de diagramme d’échange d’un échangeur selon l’invention tel qu’illustré sur la Figure 3A ;

la Figure 4 schématise un mode de réalisation d’un procédé d’échange de chaleur mettant en œuvre un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention,

la Figure 5 est une vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage d’un échangeur de chaleur selon un autre mode de réalisation de l’invention .

La Figure 1 illustre des passages 10a, 10b d’un échangeur de chaleur selon l’art antérieur comprenant plusieurs plaques 2 qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, respectivement suivant une direction longitudinale z et une direction latérale y orthogonale à z et parallèle aux plaques 2.

Les plaques sont disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement suivant une direction d’emplilement x, formant ainsi une pluralité de passages pour des fluides en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. De préférence, chaque passage de l’échangeur a une forme parallélépipédique et plate. L’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive.

La Figure 1 schématise des passages d’un échangeur configuré pour vaporiser un fluide frigorigène F1 et un autre fluide frigorigène F2 par échange de chaleur avec un fluide calorigène C.

A noter que l’autre fluide frigorigène F2 peut être un fluide ayant une composition différente du fluide frigorigène F1 ou bien un fluide frigorigène ayant la même composition que le fluide frigorigène F1 mais au moins une caractéristique physique, en particulier pression, température, différente de celle du fluide frigorigène F1 .

Le fluide calorigène C circule dans une deuxième série de passages 11 (visibles sur la Figure 2) agencés, en tout ou partie, en alternance ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages 10a, 10b de la première série. L’écoulement des fluides dans les passages a lieu globalement parallèlement à la direction longitudinale z qui est de préférence, comme dans le cas illustré, verticale lors du fonctionnement de l’échangeur.

L’étanchéité des passages 10a, 10b le long des bords des plaques est généralement assurée par des bandes d’étanchéité latérales et longitudinales 4 fixées sur les plaques. Les bandes d’étanchéité latérales 4 n’obturent pas complètement les passages 10a, 10b mais laissent des ouvertures d’entrée 31 , 32 et de sortie 41 , 42 de fluide.

De façon connue en soi, l’échangeur comprend des organes de distribution 51 , 61 , 52, 62 qui s’étendent depuis et vers les entrées et sorties des passages. Ces organes, par exemple des ondes ou canaux de distribution sont configurés pour diriger et assurer une répartition et une récupération uniformes des fluides sur toute la largeur des passages.

En outre, les passages 10a, 10b comprennent avantageusement des structures d’échange thermique disposées entre les plaques. Ces structures ont pour fonction d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur. En effet, les structures d’échange thermique sont en contact avec les fluides circulant dans les passages et transfèrent des flux thermiques par conduction jusqu’aux plaques adajcentes.

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 qui s’étendent avantageusement suivant la largeur et la longueur des passages 10a, 10b, parallèlement aux plaques 2, dans le prolongement des organes de distribution 51 , 61 , 52, 62 selon la longueur des passages 10a, 10b. Les passages de l’échangeur présentent ainsi une partie principale de leur longueur constituant la zone d’échange thermique proprement dite, qui est bordée par des zones de distribution garnies des organes 51 , 61 , 52, 62.

Un tel agencement de passages selon la Figure 1 est rencontré notamment dans un échangeur mis en œuvre dans un procédé de liquéfaction de gaz naturel. Une des méthodes connues pour obtenir du gaz naturel liquéfié repose sur l’utilisation de deux cycles de réfrigération du gaz naturel mettant en oeuvre respectivement un premier et un deuxième mélanges d’hydrocarbures réfrigérants. Le premier cycle de réfrigération permet de refroidir la gaz naturel jusqu’à son point de rosée à l’aide d’au moins deux niveaux de détente différents pour augmenter l’efficacité du cycle. Le second cycle permet de liquéfier et de sous-refroidir le gaz naturel et ne comporte qu’un niveau de détente.

Dans le premier cycle de détente, le premier mélange réfrigérant issu d’un compresseur est sous refroidi dans un premier échangeur. Au moins deux courants partiels issus du premier mélange réfrigérants sont soutirés de l’échangeur en deux points de sortie distincts puis détendus à des niveaux de pression différents, formant ainsi au moins deux fluides frigorigènes distincts F1 et F2 réintroduits dans l’échangeurs par des entrées 31 , 32 distinctes alimentant sélectivement les passages 10a, 10b pour y être vaporisés puis évacués par des sorties distinctes 41 , 42. Selon la méthode connue, le fluide frigorigène F1 détendu à un niveau de pression donné entre par l’entrée 31 située au bout froid de l’échangeur et sort par la sortie 41 à une température supérieure à la température d’entrée par l’entrée 32 de l’autre fluide frigorigène détendu à un autre niveau de pression.

Pour respecter l’agencement des entrées et sorties dans un ordre croissant de température des fluides, l’entrée de l’autre fluide frigorigène est située classiquement, suivant la direction longitudinale z, à une position plus proche du bout froid de l’échangeur que ne l’est la sortie du fluide frigorigène à pression plus faible.

Comme on le voit sur la Figure 1 , l’échangeur comprend deux types de passages frigorigènes, l’un 10a pour le fluide frigorigène F1 et l’autre 10b pour l’autre fluide frigorigène F2. Le fluide calorigène C s’écoulant dans des passages 11 adjacents aux passages d’un type 10a et/ou d’un autre type 10b échange donc de la chaleur au niveau de la zone d’échange active A1 avec le fluide F1 et au niveau de la zone d’échange active A2 pour l’autre fluide F2. Les zones 11 et I2 ne sont pas alimentées en fluide et constituent donc des zones inactives au plan thermique.

La présente invention vise à réduire l’étendue longitudinale des ces zones inactives, voire à les éliminer totalement en proposant de partager longitudinalement au moins un passage formé entre deux plaques 2 de l’échangeur et d’y faire circuler différents fluides frigorigènes.

La Figure 3 est une vue schématique en coupe, dans un plan parallèle à celui de la Figure 1 , d’un passage d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention. Dans l’exemple illustré, le nombre de fluides frigorigènes de type différent est limité à 2 par souci de simplification, étant noté qu’un nombre supérieur de types de fluide pourrait circuler dans un tel passage selon le même principe.

Comme on le voit sur la Figure 3, au moins un passage 10 de la première série de passages frigorigène comprend au moins une autre entrée 32 et au moins une autre sortie 42 pour un autre fluide frigorigène F2.

Lesdites autres entrée et sortie 32, 42 étant agencées de sorte que ledit passage 10 de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale z, en au moins une portion 100 pour l’écoulement du fluide frigorigène F1 et une autre portion 200 pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène F2.

De cette façon, lors du fonctionnement de l’échangeur, plusieurs fluides frigorigènes F1 , F2 de types différents circulent au sein d’un même passage, c’est-à-dire entre deux mêmes plaques de l’échangeur, sur des portions d’écoulement dédiées qui se succèdent le long de la direction longitudinale z.

De la sorte, la proportion de zones inactives dans l’échangeur est grandement réduite, voire éliminée, un même passage présentant au moins deux zones d’échanges actives A1 , A2 au niveau desquelles le fluide frigorigène F1 et ledit au moins un autre fluide frigorigène F2 échangent successivement de la chaleur avec le fluide calorigène C.

La quasi-totalité, voire la totalité d’un passage 11 calorigène de la deuxième série est ainsi en contact avec un passage 10 frigorigène de la première série, ce qui favorise l’échange thermique et réduit drastiquement les contraintes thermiques et mécaniques exercées sur les plaques et les collecteurs d’entrée/sortie de l’échangeur. Le dimensionnement de l’échangeur peut être réduit, diminuant ainsi le coût de l’échangeur et de la boîte froide dans laquelle il est intégré. La réduction des zones inactives au sein de l’échangeur augmente aussi sa tenue mécanique.

En fait, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence qu’en prenant en compte les chevauchements de températures dès la phase de conception du procédé, il est possible de faire circuler les fluides frigorigènes dans le même passage, même si la température de sortie du premier fluide est supérieure à celle d’entrée du second fluide. Il faut pour cela simuler l’échangeur, non pas en une seule section avec deux fluides firgorigènes arrivant à des températures différentes, comme c’est le cas avec la méthode connue du pincement, mais en différentes sections consécutives (deux dans l’exemple cité), chacune de ces sections comportant un seul fluide frigorigène, arrivant à sa température d’entrée, pour se rapprocher au mieux de la géométrie réelle et donc des pincements réels que présentera l’échangeur. Ceci est illustré sur la Figure 3B, qui montre un comparatif entre les diagrammes d’échange Chaleur échangée - Température (DH - T), ou courbes enthalpiques, obtenus d’une part avec un échangeur simulé selon la méthode classique du pincement (en (a)) et d’autre part avec un échangeur dans lequel les fluides circulent conformément à l’invention (en (b)), Les courbes C, F, F1 , F2 illustrent l’évolution de la quantité de chaleur échangée en fonction de la température, respectivement pour le fluide calorigène, un fluide frigorigène composite construit selon la méthode du pincement classique, le fluide frigorigène F1 selon l’invention et l’autre fluide frigorigène F2 selon l’invention.

De préférence, la majorité, de préférence encore au moins 80% du nombre total de passages 10 de la première série, voire la totalité des passages 10 de la première série, comprennent chacun une entrée et une sortie 31 , 41 pour le fluide frigorigène F1 et au moins une autre entrée et une autre sortie 32, 42 pour l’autre fluide frigorigène F2.

Avantageusement, l’échangeur selon l’invention présente un seul type de passage 10 de fluides frigorigène, ce qui en simplifie grandement la conception. On entend par passages du même type des passages qui présentent une configuration ou une structure identique, notamment en termes de dimensions des passages, de dispositions des entrées et sorties de fluide.

De préférence, la majorité, de préférence au moins 80%, voire la totalité, du nombre total de passages 10 de la première série présentent une configuration identique. En particulier, les entrées et sorties 31 , 41 , 32, 42 sont agencées à des positions sensiblement identiques suivant la direction longitudinale z.

Ainsi, les entrées et sorties 31 , 41 , 32, 42 des passages 10 de la première série sont disposées en coïncidence les unes au-dessus des autres, en suivant la direction d’empilement x des passages. Les entrées 31 , 32 et sorties 41 , 42 placées ainsi l’une au-dessus de l’autre sont réunies respectivement dans des collecteurs de forme semi-tubulaire 71 , 72, 81 , 82, par lesquels s’effectuent la distribution et l’évacuation des fluides.

De préférence, la direction longitudinale est verticale lorsque l’échangeur est en fonctionnement. Les fluides frigorigènes F1 , F2 s’écoulent globalement verticalement et dans le sens ascendant. Le fluide calorigène C circule de préférence à contre-courant. D’autres directions et sens d’écoulement des fluides F1 , F2 sont bien entendu envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention.

De préférence, le passage 10 de l’échangeur comprend des zones de distribution 51 , 61 , 52, 62, de préférence garnies d’organes de distribution, qui s’étendent depuis et vers les entrées 31 , 32 et sorties 41 , 42 du passage 10. Ces zones de distribution sont configurées pour diriger et récupérer uniformément les fluides F1 et F2 sur toute la largeur des zones d’échange A1 et A2 respectivement.

Avantageusement, la portion 100 du passage 10 comprend les zones de distribution 51 , 61 et la zone d’échange A1 et l’autre portion 200 comprend les zones de distribution 52, 62 et la zone d’échange A2.

Avantageusement, des structures d’échange thermique sont agencées dans les zones d’échange A1 et A2. On pourra utiliser les différents types d’ondes mis en œuvre habituellement dans les échangeurs du type à plaques et ailettes brasés pour former les structures d’échange thermique des zones d’échange A1 , A2. Les ondes pourront être choisie parmi les types d’onde connus tels les ondes droites, les ondes à décalage partiel (du type « serrated » en anglais), les ondes à vagues ou arrêtes de hareng (du type « herringbone » en anglais), perforées ou non.

Avantageusement, les organes de distribution et les structures d’échanges thermiques forment au sein du passage 10 une pluralité de canaux reliant fluidiquement les entrée 31 et sortie 41 entre elles et les autres entrées 32 et sorties 42 entre elles.

Avantageusement, l’échangeur comprend une première extrémité 1 a au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus faible de l’échangeur, et une deuxième extrémité 1 b au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus élevée de l’échangeur.

De préférence, la deuxième extrémité 1 b est agencée en aval de la première extrémité 1 a en suivant la direction longitudinale z, de sorte que le sens d’écoulement des fluides F1 , F2 dans le passage 10 est globalement ascendant. De préférence, la portion 100 pour l’écoulement du fluide frigorigène F1 étant agencée du côté de la première extrémité 1 a et l’autre portion 200 pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène F2 est agencée entre la portion 100 et la deuxième extrémité 1 b.

Ainsi, dans la représentation donnée sur la Figure 3, l’autre portion 200 s’étend, en suivant la direction longitudinale z, en aval de la portion 100.

De préférence, les portions 100, 200 sont juxtaposées suivant la direction longitudinale z, comme illustré sur la Figure 3, ce qui permet d’optimiser au mieux l’espace au sein du passage 10 en maximisant l’étendue des zones actives.

Selon une variante de réalisation, illustrée sur la Figure 5, deux autres fluides frigorigènes F2, F3 s’écoulent dans un même passage 10 conforme à l’invention.

Dans ce cas, au moins un passage frigorigène 10 de la première série comprend deux autres entrées 32, 33 configurées pour introduire respectivement deux autres fluides frigorigènes F2, F3 dans deux autres portions 200, 300 respectives du passage 10, et deux autres sorties 42, 43 configurées pour évacuer respectivement les deux autres fluides frigorigènes F2, F3 des deux autres portions 200, 300. Le passage 10 est divisé, suivant la direction longitudinale z, en trois portions 100, 200, 300 successives.

Avantageusement, lorsque l’échangeur fonctionne, le fluide frigorigène F1 entre par l’entrée 31 d’au moins un passage 10 à une température dite initiale T0 et est évacué par la sortie 41 à une première température T1 supérieure à T0. De préférence, la température T0 est comprise entre -55 et - 75 °C et la température T1 est comprise entre -10 et -30 °C.

De préférence, l’autre fluide frigorigène F2 entre dans le passage 10 par l’autre entrée 32 à une deuxième température T2 et en sort par l’autre sortie 42 à une troisième température T3, T3 étant supérieure à T2. De préférence, la température T2 est comprise entre -15 et -35 °C et la température T3 est comprise entre 35 et 0 °C.

De préférence, la deuxième température T2 est inférieure à la première température T1 . Cela permet d’avoir un fluide F1 surchauffé en sortie de la portion 100 de l’échangeur (T1 élevée), tout en assurant un refroidissement efficace du fluide calorigène dans l’autre portion 200 de l’échangeur grâce à une température de début de vaporisation, T2, du fluide F2 suffisamment basse (inférieure à T1 ).

De préférence encore, la deuxième température T2 est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la première température T1 . De préférence, la deuxième température T2 est inférieure d’au plus 15°C, de préférence encore d’au plus 10°C, et préférentiellement d’au plus 5°C, à la première température T 1 . Ceci afin d’éviter des contraintes mécaniques excessives dans l’échangeur.

Considérons à présent la variante où deux autres fluides frigorigènes F2, F3 s’écoulent dans un même passage 10.

Avantageusement, lorsque l’échangeur fonctionne, le fluide frigorigène F1 entre par l’entrée 31 d’au moins un passage 10 à une température initiale T0 comprise entre -55 et -75 °C et est évacué par la sortie 41 à une première température T1 supérieure à T0, T1 étant comprise entre -25 et -45 °C.

De préférence, le premier autre fluide frigorigène F2 entre dans le passage 10 par une première autre entrée 32 à une deuxième température T2 et en sort par l’autre sortie 42 à une température T3, T3 étant supérieure à T2. De préférence, la température T2 est comprise entre -30 et -50 °C et la température T3 est comprise entre 0 et -20 °C.

De préférence, le deuxième autre fluide frigorigène F3 entre dans le passage 10 par une deuxième autre entrée 33 à une quatrième température T4 et en sort par une deuxième autre sortie 43 à une cinquième température T5, T5 étant supérieure à T4. De préférence, la température T4 est comprise entre -5 et -25 °C et la température T5 est comprise entre 30 et 0 °C.

Avantageusement, la quatrième température T4 est inférieure à la troisième température T3. Cela permet d’avoir un fluide F2 surchauffé en sortie de la portion 200 de l’échangeur (T3 élevée), tout en assurant un refroidissement efficace du fluide calorigène dans l’autre portion 300 de l’échangeur grâce à une température de début de vaporisation, T4, du fluide F3 suffisamment basse (inférieure à T3).

De préférence, la quatrième température T4 est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la troisième température T3. De préférence, la deuxième température T2 est inférieure d’au plus 15°C, de préférence encore d’au plus 10°C, et préférentiellement d’au plus 5°C, à la première température T1 .

Avantageusement, la quatrième température T4 est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la troisième température T3, de préférence la quatrième température T4 est inférieure d’au plus 15°C, à la troisième température T3, de préférence encore, afin d’éviter des contraintes mécaniques excessives dans l’échangeur, d’au plus 10°C, et préférentiellement d’au plus 5°C, à la troisième température T4.

Selon un mode de réalisation particulier, le fluide frigorigène F1 et le au moins un autre fluide frigorigène F2 sont des fluides présentant des pressions différentes. En particulier, le fluide frigorigène F1 s’écoule dans l’échangeur à une première pression P1 et l’autre fluide frigorigène F2 s’écoule dans l’échangeur à une deuxième pression P2 qui est de préférence supérieure à la première pression P1 . Les fluides F1 , F2 peuvent présenter la même composition.

Un échangeur selon l’invention peut être utilisé dans tout procédé mettant en œuvre plusieurs fluides frigorigènes de types différents, notamment en termes de composition et/ou de caractéristiques telles que pression, température, état physique ...

L’utilisation d’un échangeur selon l’invention est particulièrement avantageuse dans un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel. Un exemple d’un tel procédé est schématisé partiellement sur la Figure 4.

Selon le procédé de liquéfaction de gaz naturel schématisé par la Figure 4, le gaz naturel arrive par le conduit 1 10 par exemple à une pression comprise entre 4 MPa et 7 MPa et à une température comprise entre 30 °C et 60 °C. Le gaz naturel circulant dans le conduit 1 10, le premier courant réfrigérant circulant dans le conduit 30 et le deuxième courant réfrigérant circulant dans le conduit 20 entrent dans l’échangeur E1 selon l’invention pour y circuler selon des directions parallèles et à co-courant.

Le gaz naturel sort refroidi de l'échangeur E1 par le conduit 102, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le deuxième courant réfrigérant sort totalement condensé de l'échangeur E1 par le conduit 202, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C.

Dans l’échangeur E1 , trois fractions, également appelées débits ou courants partiels, 301 , 302, 303 du premier courant réfrigérant en phase liquide sont successivement soutirées. Les fractions sont détendues à travers les vannes de détente V1 1 , V12 et V13 à trois niveaux de pression différents, formant un fluide frigorigène F1 et deux autres fluides frigorigènes F2, F3. Ces trois fluides frigorigènes F1 , F2, F3 de types différents sont réintroduits dans l’échangeur E1 ayant des passages frigorigènes munis de trois entrées distinctes 31 , 32, 33 conformément à l’invention, puis vaporisées par échange de chaleur avec le gaz naturel, le deuxième courant réfrigérant et une partie du premier courant réfrigérant.

Les trois fluides frigorigènes F1 , F2, F3 vaporisés sont envoyés à différents étages du compresseur K1 , comprimés puis condensés dans le condenseur C1 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le premier courant réfrigérant issu du condenseur C1 est envoyé dans l'échangeur E1 par le conduit 30. La pression du premier courant réfrigérant à la sortie du compresseur K1 peut être comprise entre 2 MPa et 6 MPa. La température du premier courant réfrigérant à la sortie du condenseur C1 peut être comprise entre 10 °C et 45°C.

Le premier courant réfrigérant peut être formé par un mélange d'hydrocarbures tels qu'un mélange d'éthane et de propane, mais peut également contenir du méthane, du butane et/ou du pentane. Les proportions en fraction molaires (%) des composants du premier mélange réfrigérant peuvent être:

Ethane: 30 % à 70 %

Propane: 30 % à 70 %

Butane: 0 % à 20 %

Le gaz naturel circulant dans le conduit 102 peut être fractionné, c'est- à-dire qu'une partie des hydrocarbures C2 ₊ contenant au moins deux atomes de carbone est séparée du gaz naturel en utilisant un dispositif connu de l'homme de l'art. Le gaz naturel fractionné est envoyé par la conduite 102 dans un autre échangeur E2. Les hydrocarbures C2+ recueillis sont envoyés dans des colonnes de fractionnement comportant un deéthaniseur. La fraction légère recueillie en tête du deéthaniseur peut être mélangée avec le gaz naturel circulant dans le conduit 102. La fraction liquide recueillie en fond du deéthaniseur est envoyée à un dépropaniseur.

Le gaz circulant dans le conduit 102 et le deuxième courant réfrigérant circulant dans le conduit 202 entrent dans l'autre échangeur E2 pour y circuler selon des directions parallèles et à co-courant.

Le deuxième courant réfrigérant sortant de l'échangeur E2 par le conduit 201 est détendu par l'organe de détente T3. L'organe de détente T3 peut être une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne. Le deuxième courant réfrigérant détendu issu de la turbine T3 est envoyé par le conduit 203 dans l'échangeur E2 pour être vaporisé en réfrigérant à contre- courant le gaz naturel et le deuxième courant réfrigérant.

En sortie de l'échangeur E2, le deuxième courant réfrigérant vaporisé est comprimé par le compresseur K2 puis refroidit dans l'échangeur de chaleur indirect C2 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le deuxième courant réfrigérant issu de l'échangeur C2 est envoyé dans l’échangeur E1 par le conduit 20. La pression du deuxième courant réfrigérant en sortie du compresseur K2 peut être comprise entre 2 MPa et 8 MPa. La température du deuxième courant réfrigérant à la sortie de l'échangeur C2 peut être comprise entre 10 °C et 45 °C.

Dans le procédé décrit en référence à la Figure 4, le deuxième courant réfrigérant n'est pas scindé en fractions séparées, mais, pour optimiser l'approche dans l'échangeur E2, le deuxième 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 K2.

Le deuxième courant réfrigérant est formé par exemple par un mélange d'hydrocarbures et d'azote tels qu'un mélange de méthane, d'éthane et d'azote mais peut également contenir du propane et/ou du butane. Les proportions en fractions molaires (%) des composants du deuxième mélange réfrigérant peuvent être:

Azote: 0 % à 10 %

Méthane: 30 % à 70 % Ethane: 30 % à 70 %

Propane: 0 % à 10 %

Le gaz naturel sort liquéfié de l'échangeur de chaleur E2 par le conduit 101 à une température de préférence supérieure d'au moins 10°C par rapport à la température de bulle du gaz naturel liquéfié produit à pression atmosphérique (la température de bulle désigne la température à laquelle les premières bulles de vapeur se forment dans un gaz naturel liquide à une pression donnée) et à une pression identique à la pression d'entrée du gaz naturel, aux pertes de charge près. Par exemple le gaz naturel sort de l’échangeur E2 à une température comprise entre - 105 °C et - 145 °C et à une pression comprise entre 4 MPa et 7 MPa. Dans ces conditions de température et de pression, le gaz naturel ne reste pas entièrement liquide après une détente jusqu'à la pression atmosphérique.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple d’autres configurations d’injection et de d’extraction des fluides de l’échangeur, d’autres sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides... sont bien sûr envisageables, selon les contraintes imposées par le procédé à mettre en œuvre.