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Title:
METHOD FOR LIQUEFYING NATURAL GAS WITH IMPROVED CIRCULATION OF A MIXED REFRIGERANT STREAM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/019153
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a method for liquefying a hydrocarbon stream (102) such as natural gas using a heat exchanger (E2) with plates (2) having a length measured in the longitudinal direction (z), the plates (2) defining between them at least a first series of passages (10) for the flow of at least a part of a two-phase refrigerant stream (203) vaporising against the hydrocarbon stream (102), the method comprising in particular the steps of: introducing a refrigerant stream (202) into the exchanger (E2), which flows in a downward direction, outputting the refrigerant stream (201 from the exchanger (E2) and expanding so as to produce a two-phase refrigerant stream (203), reintroducing at least a part of the two-phase refrigerant stream (203) into the exchanger (E2), which flows in the passages (10) in an upward direction, at least partially vaporising said at least one part of the two-phase refrigerant stream (203) against the hydrocarbon stream (102) so as to obtain an at least partially liquefied hydrocarbon stream (220). According to the invention, at least one passage (10) comprises a heat exchange structure (S) comprising a plurality of series of walls for guiding fluid succeeding one another in the longitudinal direction (z) and having leading edges which extend orthogonally to the longitudinal direction (z) so as to face, wholly or partially, the two-phase refrigerant stream (203), and having a cross-sectional area (A) of leading edges, measured orthogonally to the longitudinal direction (z) and expressed per metre of heat exchanger length, decreasing in the longitudinal direction (z).

Inventors:
HAIK-BERAUD NATACHA (FR)
PEYRON JEAN-MARC (FR)
LAZZARINI SOPHIE (FR)
MOREL THOMAS (FR)
Application Number:
PCT/FR2020/051319
Publication Date:
February 04, 2021
Filing Date:
July 21, 2020
Export Citation:
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Assignee:
AIR LIQUIDE (FR)
International Classes:
F25J1/00; F25J1/02; F25J5/00; F28D9/00; F28D21/00; F28F3/02
Domestic Patent References:
WO2014087225A12014-06-12
WO2017081374A12017-05-18
WO2018172644A12018-09-27
Foreign References:
US20070227185A12007-10-04
US20120067079A12012-03-22
US20150260451A12015-09-17
EP3015807A12016-05-04
EP1088578A12001-04-04
US3992168A1976-11-16
US20180299210A12018-10-18
US0227185A1880-05-04
FR2563620A11985-10-31
Other References:
FISCHER B: "A New Process to Reduce LNG Cost", AICHE SPRING MEETING. NATURAL GAS UTILIZATION CONFERENCE, X, US, 10 March 2002 (2002-03-10), pages 191 - 202, XP001538288
Attorney, Agent or Firm:
DEBECKER, Isabelle (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures (102) tel que le gaz naturel mettant en œuvre un échangeur de chaleur (E2) comprenant plusieurs plaques (2) parallèles entre elles et à une direction longitudinale (z) qui est sensiblement verticale, ledit échangeur (E2) présentant une longueur mesurée suivant la direction longitudinale (z), les plaques (2) étant empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins une première série de passages (10) pour l’écoulement d’au moins une partie d’un courant réfrigérant diphasique (203) se vaporisant par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures (102), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

a) introduction du courant d’hydrocarbures (102) dans l’échangeur de chaleur (E2),

b) introduction d’un courant réfrigérant (202) dans l’échangeur de chaleur (E2) par au moins une première entrée (21 ) jusqu’à une première sortie (23), lesdites premières entrée et sortie (21 , 22) étant agencées de sorte que le courant réfrigérant

(202) s’écoule dans l’échangeur (E2) dans un sens descendant opposé à la direction longitudinale (z),

c) sortie du courant réfrigérant (201 ) par la première sortie (22) de l’échangeur (E2),

d) détente du courant réfrigérant (201 ) issu de l’étape c) de sorte à produire un courant réfrigérant diphasique (203),

e) réintroduction d’au moins une partie du courant réfrigérant diphasique (203) dans l’échangeur de chaleur (E2) par au moins une deuxième entrée (41 ) jusqu’à une deuxième sortie (42), lesdites deuxièmes entrée et sortie (41 , 42) étant agencées de sorte que ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique

(203) s’écoule dans les passages (10) de la première série dans un sens ascendant orienté suivant la direction longitudinale (z),

f) vaporisation au moins partiellement de ladite au moins une partie de courant réfrigérant diphasique (203) dans les passages (10) de la première série par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures (102) de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié (220) en sortie de l’échangeur (E2), caractérisé en ce qu’au moins un passage (10) de la première série comprend une structure d’échange thermique (S) comprenant plusieurs séries de parois de guidage de fluide (121 , 122, 123, 221 , 222, 223), lesdites séries de parois se succédant suivant la direction longitudinale (z) et présentant des bords d’attaque (124, 224) qui s’étendent orthogonalement à la direction longitudinale (z) de façon à faire face, en tout ou partie, au courant réfrigérant diphasique (203), ladite structure d’échange thermique (S) ayant une surface de section transversale (A) de bords d’attaque, mesurée orthogonalement à la direction longitudinale (z) et exprimée par mètre de longueur d’échangeur, décroissante suivant la direction longitudinale (z).

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’à l’étape e), le ratio volumique liquide/gaz de ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique (203) réintroduite dans l’échangeur de chaleur (E2) est compris entre 10 et 100 %, de préférence compris entre 10 et 60 %, ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique (203) s’écoulant dans les passages (10) de la première série présentant un ratio volumique liquide/gaz décroissant suivant la direction

longitudinale (z).

3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure d’échange thermique (S) est divisée, suivant la direction longitudinale (z), en plusieurs portions (S1 , S2,...) présentant chacune une surface de section transversale (A1 , A2 ...) de bords d’attaque de valeur prédéterminée, une portion (S1 ) agencée en aval d’une autre portion (S2), de préférence consécutivement, en suivant la direction longitudinale (z) présentant une surface de section transversale (A1 ) de bords d’attaque réduite par rapport à la surface de section transversale (A2) de bords d’attaque de l’autre portion (S2) d’un facteur d’au moins 1 ,3, de préférence un facteur compris entre 1 ,5 et 5.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le courant réfrigérant diphasique (203) s’écoulant à travers la portion (S2) agencée en amont de l’autre portion (S1 ) présente un ratio volumique liquide/gaz supérieur d’au moins 2%, de préférence inférieur de 2 à 20 %, au ratio volumique liquide/gaz du courant réfrigérant diphasique (203) s’écoulant à travers l’autre portion (S1 ).

5. Procédé selon l’une des revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdites portions (S1 , S2,...) forment des entités physiques distinctes assemblées entre elles par brasage dans ledit passage (10) et/ou au moins l’une desdites portions (S1 , S2) est formée de plusieurs sous-portions distinctes assemblées entre elles par brasage dans ledit passage (10).

6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites séries de parois de guidage de fluide (121 , 122, 123, 221 , 222, 223) forment chacune une ondulation comprenant une pluralité d’ailettes (123, 223) se succédant suivant une direction latérale (y) qui est orthogonale à la direction longitudinale (z) et parallèle aux plaques (2), avec des sommets d’onde (121 , 221 , 321 ) et des bases d’onde (122, 222) reliant alternativement lesdites ailettes (123, 223).

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites ondulations présentent des pas croissants suivant la direction longitudinale (z), lesdits pas étant définis comme les distances entre deux ailettes successives d’une même ondulation mesurées suivant la direction latérale (y), et/ou les parois de guidage de fluide (121 , 122, 123, 221 , 222, 223) formant lesdites ondulations présentent des épaisseurs décroissantes suivant la direction longitudinale (z).

8. Procédé selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdites séries de parois de guidage de fluide (121 , 122, 123, 221 , 222, 223) forment des ondulations ayant chacune une direction d’ondulation orientée parallèlement à la direction latérale (y), au moins une partie desdites ondulations présentant un décalage prédéterminé suivant la direction latérale (y) par rapport à une autre ondulation adjacente, lesdites ondulations à décalage ayant des longueurs dites de serration, mesurées suivant la direction longitudinale (z), croissantes suivant la direction longitudinale (z).

9. Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la structure d’échange thermique (S) est divisée, suivant la direction longitudinale (z), en plusieurs portions (S1 , S2,...) comprenant chacune plusieurs séries de parois de guidage de fluide agencées consécutivement suivant la direction longitudinale (z) avec chaque série formant une ondulation , chaque portion (S1 , S2) ayant des ondulations présentant un décalage prédéterminé suivant la direction latérale (y) par rapport à une autre ondulation adjacente, chaque portion (S1 , S2) comprenant des ondulations d’une longueur dite de serration (L1 , L2) mesurée suivant la direction longitudinale (z), les portions (S1 , S2) étant arrangées par ordre croissant de leur longueur de serration (L1 , L2) respective suivant la direction longitudinale (z).

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdites portions (S1 , S2) présente au moins un paramètre identique de leurs ondulations choisi parmi le décalage prédéterminé, l’épaisseur, le pas.

11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’à l’étape a), le courant d’hydrocarbures (102) est introduit à l’état gazeux ou

partiellement liquéfié dans l’échangeur de chaleur (E2) à une température comprise entre -80 et -35 °C.

12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’à l’étape e), ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique (203) est réintroduite dans l’échangeur de chaleur (E2) à une première température (T1 ) comprise entre -120 et -160 °C et sort de l’échangeur de chaleur (E2) à une deuxième température (T2) supérieure à la première température (T1 ), de préférence avec T2 comprise entre -35 et -130 °C.

13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, préalablement à l’étape a), on met en œuvre au moins un cycle de réfrigération supplémentaire comprenant les étapes suivantes :

i) introduction d’un courant d’alimentation (110) comprenant un mélange d’hydrocarbures tel du gaz naturel dans un échangeur de chaleur (E1 )

supplémentaire comprenant un ensemble d’autres plaques parallèles entre elles et à la direction longitudinale (z) et empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins un ensemble de passages frigorigènes supplémentaires,

ii) introduction d’un courant réfrigérant supplémentaire (30) dans l’échangeur de chaleur (E1 ) supplémentaire,

iii) extraction de l’échangeur de chaleur (E1 ) d’au moins deux courants partiels réfrigérants (301 , 302) issus du courant réfrigérant supplémentaire (30) et détente desdits courants partiels réfrigérant (301 , 302) à des niveaux de pression différents pour produire au moins deux fluides frigorigènes diphasiques (F1 , F2),

iv) réintroduction d’au moins une partie de chaque fluide frigorigène (F1 , F2) dans des passages frigorigènes supplémentaires respectifs de l’échangeur de chaleur (E1 ) et vaporisation au moins partiellement desdites au moins une partie de chaque fluide frigorigène (F 1 , F2) par échange de chaleur avec au moins le courant d’alimentation (110) de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures (102) pré-refroidi en sortie de l’échangeur de chaleur supplémentaire (E1 ),

v) introduction du courant d’hydrocarbures (102) pré-refroidi dans l’échangeur de chaleur (E2).

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les fluides frigorigènes (F1 , F2) s’écoulent de façon ascendante suivant la direction

longitudinale (z) dans les passages frigorigènes supplémentaires respectifs de l’échangeur de chaleur (E1 ).

15. Procédé selon l’une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu’au moins un passage frigorigène supplémentaire comprend au moins une structure d’échange thermique supplémentaire comprenant plusieurs séries supplémentaires de parois de guidage de fluide, lesdites séries se succédant suivant la direction longitudinale (z) et présentant des bords d’attaque supplémentaires qui s’étendent orthogonalement à la direction longitudinale (z) de façon à faire face, en tout ou partie, aux fluides frigorigènes diphasiques (F1 , F2), ladite structure d’échange thermique supplémentaire ayant une surface de section transversale de bords d’attaque, décroissante suivant la direction longitudinale (z).

Description:
Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec circulation améliorée d’un courant réfrigérant mixte

La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d’un courant

d’hydrocarbures, tel que le gaz naturel, ledit procédé mettant en œuvre un courant réfrigérant mixte diphasique qui se vaporise contre le courant d’hydrocarbures à liquéfier dans un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes.

Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons. A titre d’exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l’état liquide qu’à l’état gazeux, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et pas besoin d’être stocké à une pression élevée.

Il existe 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 où il est totalement liquéfié et sous-refroidi jusqu’à la température la plus froide du procédé, typiquement celle du courant de gaz naturel liquéfié. A la sortie la plus froide de l’échangeur, le courant réfrigérant est détendu en formant une phase liquide et une phase gazeuse. Ces deux phases sont remélangées et 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. Les documents WO-A- 2017081374 et US2007-A-0227185 décrivent de telles 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 de liquéfaction décrit ci-dessus.

Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de plusieurs séries de passages, les uns étant destinés à la circulation d’un fluide calorigène, en l’occurrence le courant d’hydrocarbures à liquéfier, d’autres étant destinés à la circulation d’un fluide frigorigène, en l’occurrence 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.

Classiquement, ces structures d’échange thermique présentent des propriétés et des structures uniformes le long des passages de l’échangeur.

Il continue néanmoins de se poser certains problèmes avec les méthodes de liquéfaction connues, notamment à cause de la composition diphasique du courant réfrigérant réintroduit dans l’échangeur et en particulier lorsque sa vaporisation a lieu en écoulement vertical ascendant.

En effet, le courant réfrigérant diphasique est introduit au bout froid de l’échangeur, c’est-à-dire l’extrémité où un fluide est introduit à la température est la plus basse des températures de l’échangeur, située à l’extrémité inférieure de l’échangeur. Le taux de vaporisation partielle (« flash » en anglais) y est très faible. A mesure que le courant réfrigérant s’écoule dans les passages de l’échangeur vers l’extrémité supérieure formant le bout chaud, le taux de vaporisation partielle, et donc la quantité de gaz contenue dans le courant réfrigérant, augmente.

Or, la présence de gaz est nécessaire à l’entraînement de la phase liquide du courant réfrigérant afin de compenser l’effet de la gravité. Comme la quantité de gaz est plus faible au bout froid de l’échangeur, l’entraînement du liquide par le gaz y est plus difficile. La vitesse d’écoulement du courant réfrigérant est donc plus faible au bout froid puis augmente en direction de l’extrémité supérieure de l’échangeur, au fur et à mesure que le courant réfrigérant est vaporisé. Il s’ensuit une distribution inhomogène du courant réfrigérant dans la longueur de l’échangeur.

Pour remédier à l’insuffisance de gaz au bout froid, une solution connue consiste à réduire la section de l’échangeur. La section disponible pour la circulation du courant réfrigérant est réduite, ce qui permet d’augmenter le débit volumique et la vitesse d’écoulement du courant réfrigérant au bout froid.

Toutefois, cette solution entraîne un inconvénient majeur. En effet, la section de l’échangeur est dimensionnée en considérant le bout froid, où la vitesse

d’écoulement du courant réfrigérant est la plus faible. Or, cette vitesse continue d’augmenter le long du trajet d’écoulement du courant réfrigérant, au fur et à mesure que la quantité de gaz augmente, ce qui conduit à un niveau de pertes de charges beaucoup trop important au bout chaud, du fait de la section réduite de l’échangeur.

Il s’ensuit une dégradation des performances énergétiques du procédé. La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures contre un courant réfrigérant diphasique, ledit procédé mettant en œuvre un échangeur de chaleur assurant une distribution plus homogène dudit courant réfrigérant dans la longueur de l’échangeur.

La solution selon l’invention est alors un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel mettant en œuvre un échangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques parallèles entre elles et à une direction longitudinale qui est sensiblement verticale, ledit échangeur présentant une longueur mesurée suivant la direction longitudinale, les plaques étant empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins une première série de passages pour

l’écoulement d’au moins une partie d’un courant réfrigérant diphasique se vaporisant par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

a) introduction du courant d’hydrocarbures dans l’échangeur de chaleur, b) introduction d’un courant réfrigérant dans l’échangeur de chaleur par au moins une première entrée jusqu’à une première sortie, lesdites premières entrée et sortie étant agencées de sorte que le courant réfrigérant s’écoule dans l’échangeur dans un sens descendant opposé à la direction longitudinale,

c) sortie du courant réfrigérant par la première sortie de l’échangeur,

d) détente du courant réfrigérant issu de l’étape c) de sorte à produire un courant réfrigérant diphasique,

e) réintroduction d’au moins une partie du courant réfrigérant diphasique dans l’échangeur de chaleur par au moins une deuxième entrée jusqu’à une deuxième sortie, lesdites deuxièmes entrée et sortie étant agencées de sorte que ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique s’écoule dans les passages de la première série dans un sens ascendant orienté suivant la direction longitudinale, f) vaporisation au moins partiellement de ladite au moins une partie de courant réfrigérant diphasique dans les passages de la première série par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié en sortie de l’échangeur, caractérisé en ce qu’au moins un passage de la première série comprend une structure d’échange thermique comprenant plusieurs séries de parois de guidage de fluide, lesdites séries de parois se succédant suivant la direction longitudinale et présentant des bords d’attaque qui s’étendent orthogonalement à la direction longitudinale de façon à faire face, en tout ou partie, au courant réfrigérant diphasique, ladite structure d’échange thermique ayant une surface de section transversale de bords d’attaque, mesurée orthogonalement à la direction longitudinale et exprimée par mètre de longueur d’échangeur, décroissante suivant la direction longitudinale.

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

- à l’étape e), le ratio volumique liquide/gaz de ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique réintroduite dans l’échangeur de chaleur est compris entre 10 et 100 %, de préférence compris entre 10 et 60 %, ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique s’écoulant dans les passages de la première série présentant un ratio volumique liquide/gaz décroissant suivant la direction longitudinale.

- la structure d’échange thermique est divisée, suivant la direction longitudinale, en plusieurs portions présentant chacune une surface de section transversale de bords d’attaque de valeur prédéterminée, une portion agencée en aval d’une autre portion en suivant la direction longitudinale, de préférence consécutivement, présentant une surface de section transversale de bords d’attaque réduite par rapport à la surface de section transversale de bords d’attaque de l’autre portion d’un facteur d’au moins 1 ,3, de préférence un facteur compris entre 1 ,5 et 5.

- le courant réfrigérant diphasique s’écoulant à travers la portion agencée en amont de l’autre portion présente un ratio volumique liquide/gaz supérieur d’au moins 2%, de préférence inférieur de 2 à 20 %, au ratio volumique liquide/gaz du courant réfrigérant diphasique s’écoulant à travers l’autre portion.

la structure d’échange thermique est divisée, suivant la direction longitudinale, en plusieurs portions présentant chacune une surface de section transversale de bords d’attaque de valeur prédéterminée, lesdites valeurs de surface prédéterminées étant décroissantes suivant la direction longitudinale.

lesdites portions forment des entités physiques distinctes assemblées entre elles par brasage dans ledit passage et/ou au moins l’une desdites portions est formée de plusieurs sous-portions distinctes assemblées entre elles par brasage dans ledit passage.

lesdites séries de parois de guidage de fluide forment chacune une ondulation comprenant une pluralité d’ailettes se succédant suivant une direction latérale qui est orthogonale à la direction longitudinale et parallèle aux plaques, avec des sommets d’onde et des bases d’onde reliant alternativement lesdites ailettes,

lesdites ondulations présentent des pas croissants suivant la direction longitudinale, lesdits pas étant définis comme les distances entre deux ailettes successives d’une même ondulation mesurées suivant la direction latérale.

les parois de guidage de fluide présentent des épaisseurs décroissantes suivant la direction longitudinale.

lesdites séries de parois de guidage de fluide forment des ondulations ayant une direction d’ondulation orientée suivant la direction latérale, au moins une partie desdites ondulations présentant un décalage prédéterminé suivant la direction latérale par rapport à une autre ondulation adjacente, lesdites ondulations à décalage ayant des longueurs dites de serration, mesurées suivant la direction longitudinale, croissantes suivant la direction longitudinale.

la structure d’échange thermique est divisée, suivant la direction longitudinale, en plusieurs portions comprenant chacune plusieurs séries de parois de guidage de fluide agencées consécutivement suivant la direction longitudinale (z) avec chaque série formant une ondulation, chaque portion (S1 , S2) ayant des ondulations présentant un décalage prédéterminé suivant la direction latérale (y) par rapport à une autre ondulation adjacente, chaque portion (S1 , S2) comprenant des ondulations d’une longueur dite de serration (L1 , L2) mesurée suivant la direction longitudinale (z), les portions (S1 , S2) étant arrangées par ordre croissant de leur longueur de serration (L1 , L2) respective suivant la direction longitudinale (z).

lesdites portions (S1 , S2) présente au moins un paramètre identique de leurs ondulations choisi parmi le décalage prédéterminé, l’épaisseur, le pas.

à l’étape a), le courant d’hydrocarbures est introduit à l’état gazeux ou partiellement liquéfié dans l’échangeur de chaleur à une température comprise entre -80 et -35 °C.

à l’étape a), le courant d’hydrocarbures est introduit totalement liquéfié dans l’échangeur de chaleur à une température comprise entre -130 à -100 °C.

à l’étape e), ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique est introduite dans l’échangeur de chaleur à une première température comprise entre - 120 et -160 °C et sort de l’échangeur de chaleur à une deuxième température supérieure à la première température, de préférence la deuxième température est comprise entre -35 et -130 °C. à l’étape e), le courant réfrigérant diphasique introduit dans l’échangeur de chaleur présente un ratio volumique liquide/gaz compris entre 10 et 100 %, de préférence compris entre 10 et 60 %.

préalablement à l’étape a), on met en œuvre au moins un cycle de

réfrigération supplémentaire comprenant les étapes suivantes :

i) introduction d’un courant d’alimentation comprenant un mélange

d’hydrocarbures tel du gaz naturel dans un échangeur de chaleur supplémentaire comprenant un ensemble d’autres plaques parallèles entre elles et à la direction longitudinale et empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins un ensemble de passages frigorigènes supplémentaires,

ii) introduction d’un courant réfrigérant supplémentaire dans l’échangeur de chaleur supplémentaire,

iii) extraction de l’échangeur de chaleur d’au moins deux courants partiels réfrigérants issus du courant réfrigérant supplémentaire et détente desdits courants partiels réfrigérant à des niveaux de pression différents pour produire au moins deux fluides frigorigènes diphasiques,

iv) réintroduction d’au moins une partie de chaque fluide frigorigène dans des passages frigorigènes supplémentaires respectifs de l’échangeur de chaleur et vaporisation au moins partiellement desdites au moins une partie de chaque fluide frigorigène par échange de chaleur avec au moins le courant d’alimentation de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures pré-refroidi en sortie de l’échangeur de chaleur supplémentaire,

v) introduction du courant d’hydrocarbures pré-refroidi dans l’échangeur de chaleur.

De préférence, les fluides frigorigènes s’écoulent de façon ascendante suivant la direction longitudinale dans les passages frigorigènes supplémentaires respectifs de l’échangeur de chaleur.

De préférence encore, au moins un passage frigorigène supplémentaire comprend au moins une structure d’échange thermique supplémentaire comprenant plusieurs séries supplémentaires de parois de guidage de fluide, lesdites séries se succédant suivant la direction longitudinale et présentant des bords d’attaque supplémentaires qui s’étendent orthogonalement à la direction longitudinale de façon à faire face, en tout ou partie, aux fluides frigorigènes diphasiques, ladite structure d’échange thermique supplémentaire ayant une surface de section transversale de bords d’attaque, décroissante suivant la direction longitudinale.

L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des

hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et

aromatiques.

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

Fig. 1 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 2 est vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage d’échangeur configuré pour l’écoulement du courant réfrigérant diphasique selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 3 est vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage d’échangeur configuré pour l’écoulement du courant réfrigérant diphasique selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 4 représente une portion de structure d’échange thermique d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 5 représente une portion de structure d’échange thermique d’un échangeur selon autre un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 6 représente une portion de structure d’échange thermique d’un échangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 7 représente une structure d’échange thermique d’un échangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 8 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 1 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures 102 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, avant son introduction dans l’échangeur de chaleur E2. De préférence, le courant de gaz naturel comprend, en fraction molaire, au moins 60% de méthane, de préférence au moins 80%.

Le gaz naturel 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. 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 102. La fraction liquide recueillie en fond du deéthaniseur est envoyée à un dépropaniseur.

Le courant d’hydrocarbures 102 et le courant réfrigérant 202 entrent dans

l'échangeur E2 respectivement par une troisième entrée 20 et une première 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. Ces courants ressortent par une troisième sortie 22 et une première sortie 23.

Avantageusement, la première entrée 21 pour le courant réfrigérant 202 et la troisième entrée 20 pour le courant d’hydrocarbures 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 2b de l’échangeur qui est située à un niveau inférieur à celui d’une première extrémité 1 a dudit échangeur. De préférence, la première extrémité 2a correspond au bout chaud de l’échangeur E2, c’est-à-dire le point d’entrée de l’échangeur ou un fluide est introduit à la température la plus élevée des températures de l’échangeur, en l’occurrence la troisième entrée 20.

De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit à l’état totalement gazeux ou partiellement liquéfié dans l’échangeur de chaleur E2 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 E2 à une température comprise entre -130 et -100 °C.

Le courant réfrigérant 201 sortant de l'échangeur E2 est détendu par un organe de détente T3, tel une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne, de façon à former un courant réfrigérant 203 diphasique comprenant une phase liquide et une phase gazeuse. Au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 issu de la détente est réintroduit dans l’échangeur E2 par au moins une deuxième entrée 41 située dans la région de la deuxième extrémité 2b et alimentant une première série de passages 10 de l’échangeur.

De préférence, la deuxième extrémité 2b correspond au bout froid, qui correspond à un point d’entrée dans l’échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse des températures de l’échangeur, en l’occurrence la deuxième entrée 41. Notons que dans le cadre de l’invention, la réintroduction de ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 peut être réalisée de plusieurs façons. Les deux phases du courant diphasique 203 peuvent être séparées préalablement dans un organe séparateur 27 avant d’être recombinées à l’extérieur de l’échangeur et réintroduites à l’état de mélange liquide-gaz dans l'échangeur E2 par une même entrée 41 , comme représenté sur Fig. 1. L’organe séparateur peut être tout dispositif adapté pour séparer un fluide diphasique en un courant gazeux d’une part et un courant liquide d’autre part. Le courant diphasique 203 est ainsi réintroduit en totalité ou quasi-totalité.

Selon une variante de réalisation (non illustrée), les phases liquide et gazeuse peuvent être introduites séparément dans l’échangeur par des entrées distinctes, puis mélangées entre elles au sein de l’échangeur, au moyen d’un dispositif mélangeur tel que décrit par exemple dans FR-A-2563620 ou WO-A-2018172644. Ces dispositifs sont typiquement des pièces usinées comprenant un agencement particulier de canaux séparés pour une phase liquide et une phase gazeuse et d’orifices mettant ces canaux en communication fluidique afin de distribuer un mélange liquide-gaz. Le courant diphasique 203 est ainsi réintroduit en totalité ou quasi-totalité.

Selon une autre variante (non illustrée), seule la phase liquide séparée du courant 203 diphasique est réintroduite par la deuxième entrée 41. Cette phase liquide forme ladite partie de courant réfrigérant diphasique 203. La phase gazeuse est de préférence détournée de l’échangeur E2, c’est-à-dire qu’elle n’y est pas introduite. Notons que le fluide diphasique peut éventuellement être réintroduit directement après détente à l’état de mélange liquide-gaz.

De préférence, ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 est introduite dans l’échangeur de chaleur E2 à une première température T1 comprise entre -120 et -160 °C et sort de l’échangeur de chaleur E2 à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1 , de préférence avec T2 comprise entre -35 et -130 °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.

Le courant réfrigérant vaporisé sort de l'échangeur E2 par une deuxième sortie 42 pour être comprimé par un compresseur puis refroidi dans l'échangeur de chaleur indirect par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air (en 26 sur Fig. 1 ). La pression du courant réfrigérant en sortie du compresseur peut être comprise entre 2 MPa et 8 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. 1 , le courant réfrigérant n'est pas scindé en fractions séparées, mais, pour optimiser l'approche dans l'échangeur E2, 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 K2.

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, du pentane et/ou de l’éthylène.

Les proportions en fractions molaires (%) des composants du courant réfrigérant peuvent être:

Azote: 0 % à 10 %

Méthane: 30 % à 70 %

Ethane: 30 % à 70 %

Propane: 0 % à 10 %

Le gaz naturel sort au moins partiellement liquéfié 220 de l'échangeur E2 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.

Fig. 2 montre un passage 10 d’un échangeur E2 selon l’invention configuré pour vaporiser le courant réfrigérant diphasique. L’échangeur E2 comprend plusieurs plaques 2 (non visibles) qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur Lz et largeur Ly de l’échangeur, respectivement suivant une direction longitudinale z et une direction latérale y orthogonale à z et parallèle aux plaques 2. Les plaques 2 sont disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement suivant une direction d’empilement x, formant ainsi une pluralité de passages pour les fluides du procédé qui sont à mettre en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. Un passage 10 est formé entre deux plaques adjacentes. 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.

Le courant d’hydrocarbures 102 circule dans une deuxième série de passages (non illustrée) agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages 10 de la première série. L’écoulement des fluides dans les passages a lieu globalement parallèlement à la direction longitudinale z qui est verticale lors du fonctionnement de l’échangeur.

L’étanchéité des passages 10 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 10 mais laissent des ouvertures d’entrée 41 et de sortie 42. Les entrées et sorties 41 , 42 de la superposition de passages 10 sont réunies par des collecteurs 71 , 82 servant à l’introduction et à l’évacuation du courant 203.

Classiquement, les passages 10 comprennent une ou plusieurs structures d’échange thermique S disposées entre les plaques 2. 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 adjacentes.

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 œuvre des fluides sous pression. Elles assurent également le guidage des écoulements de fluide dans les passages de l’échangeur.

Par commodité, il est habituel d’agencer des structures d’échange thermique du même type tout au long d’un passage d’échangeur. Par exemple, lorsque ces structures sont formées d’ondes, celles-ci présentent des ondulations du même type, en particulier même période d’ondulation et donc même densité d’ailettes, même épaisseur, ...

Or, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence qu’avec une telle configuration, des disparités de pertes de charge et de vitesses d’écoulement apparaissaient au fur et à mesure que le courant réfrigérant s’écoulait le long des passages 10, du fait notamment de la vaporisation progressive dudit courant réfrigérant.

Afin de résoudre ces problèmes, l’invention propose d’agencer, dans au moins un passage 10 de la première série, une structure d’échange thermique permettant d’équilibrer les pertes de charges dans la longueur dudit passage.

Plus précisément, au moins un passage 10 comprend une structure d’échange thermique S dont la surface de section transversale de bords d’attaques décroit suivant la direction longitudinale z, c’est-à-dire en direction de la première extrémité de l’échangeur.

Fig. 4 à Fig. 7 montrent des exemples de structures d’échange thermique pouvant être agencée dans le passage 10 et illustrent les bords d’attaque de ces structures. En référence à Fig. 4 et Fig. 5, une structure S selon l’invention comprend plusieurs séries de parois de guidage de fluide 121 , 122, 123 (une seule série visible sur Fig. 5), lesdites parois étant agencées parallèlement à la direction longitudinale z et présentant des premiers bords d’attaque 124 disposés sensiblement

orthogonalement à la direction longitudinale z et faisant face, en tout ou partie, au courant réfrigérant diphasique lorsque celui-ci s’écoule dans le passage 10. Les séries de parois se succèdent suivant la direction longitudinale z.

Fig. 4 représente des parois 121 , 122, 123 d’épaisseur e1 , mesurée dans un plan orthogonal à la direction longitudinale z et suivant une direction orthogonale aux parois. La structure présente une hauteur h, mesurée suivant une direction d’empilement x qui est orthogonale à la direction longitudinale z et orthogonale aux plaques 2. Selon l’invention, on mesure la surface de section transversale de la structure orthogonalement à la direction longitudinale z et par mètre de longueur d’échangeur. Déterminer la surface de section transversale A par unité de longueur d’échangeur permet de qualifier une variation progressive de ladite section le long du passage 10 et/ou de s’affranchir d’éventuelles différences de longueur lorsque l’on considère différentes portions S1 , S2,... de structures (cf. infra). Par exemple, sur Fig.5, la surface A1 de section transversale des bords d’attaque des parois 121 , 122, 123 correspond à la surface hachurée.

L’agencement d’une structure d’échange dont la surface de section transversale de bords d’attaque diminue en direction de la première extrémité 2a permet de compenser les disparités de pertes de charges subies par le courant réfrigérant 203 le long du passage 10.

Ainsi, à la deuxième extrémité 2b, où la quantité de gaz présent dans le courant est encore relativement basse, une surface de bords d’attaque par unité de longueur plus importante permet d’augmenter les pertes de charges et la vitesse

d’écoulement, favorisant l’ascension du courant 203. A mesure de son écoulement suivant la direction longitudinale z, le fait de réduire la surface de bords d’attaque permet de réduire les pertes de charge subies par le courant réfrigérant 203.

L’échangeur selon l’invention permet d’ajuster les pertes de charge sur la longueur du passage et de maintenir un niveau raisonnable de pertes de charges à la première extrémité 2a. Les performances énergétiques de l’installation industrielle intégrant l’échangeur selon l’invention s’en trouvent améliorées.

Cela permet également d’avoir des vitesses d’écoulement de fluide suffisamment élevées sur toute la longueur du passage, en particulier à la deuxième extrémité 2b où l’entraînement de la phase liquide est critique. Il s’ensuit une distribution plus uniforme du courant réfrigérant diphasique et une amélioration des performances de l’échangeur. L’échangeur peut ainsi être dimensionné avec des marges de sécurité réduites par rapport aux marges qui devraient être prévues en l’absence de structures selon l’invention.

En outre, l’échangeur peut fonctionner dans des marches dites réduites, c’est-à-dire plus faibles en débit, que ce soit en régime de fonctionnement transitoire ou en régime établi.

Selon un mode de réalisation schématisé sur Fig. 2, la structure d’échange S présente une surface de section de bords d’attaque A qui diminue progressivement, de façon monotone ou non, suivant la direction z. La structure S peut être formée d’un seul tenant, i. e. à partir d’une même plaque, ou bien de différentes parties distinctes juxtaposées suivant la direction z.

Selon un autre mode de réalisation schématisé sur Fig. 3, la structure d’échange thermique S est divisée, suivant la direction longitudinale z, en plusieurs portions S1 , S2,... présentant chacune une surface de section transversale A1 , A2 ... de bords d’attaque de valeur prédéterminée, lesdites valeurs de surface prédéterminées étant décroissantes suivant la direction longitudinale z.

Plus précisément, lesdites portions présentent chacune une surface de bords d’attaque constante, la diminution de ladite surface étant obtenue par une variation d’une portion à l’autre.

Fig. 3 schématise une structure S à trois portions S1 , S2, S3, étant précisé que la structure S comprend au moins deux portions et peut comprendre un nombre de portions supérieur. La description ci-dessous faite pour deux portions est

transposable à un nombre supérieur de portions.

De préférence, lesdites portions S1 , S2,... forment des entités physiques distinctes, formées à partir de feuillards distincts. Par exemple les portions S1 , S2 sont des tapis d’ondes distincts. Avantageusement, les portions de structure sont assemblées entre elles par brasage dans le passage 10. L’une et/ou l’autre desdites portions S1 , S2 peut aussi être formée de plusieurs sous-portions distinctes, de préférence sous forme de tapis d’ondes, assemblées entre elles par brasage dans ledit passage 10. De préférence, une portion S2 agencée en amont d’une autre portion S1 en suivant la direction longitudinale z, de préférence consécutivement, présente une surface de section transversale A2 de bords d’attaque augmentée d’un facteur multiplicateur d’au moins 1 ,3, de préférence compris entre 1 ,5 et 5 par rapport à la surface de section transversale A1 de bords d’attaque de l’autre portion S1.

Un tel coefficient multiplicateur permet d’équilibrer efficacement les pertes de charges subies par le courant réfrigérant diphasique, en particulier lorsque ledit courant s’écoule à travers l’autre portion S1 avec un ratio volumique liquide/gaz inférieur d’au moins 2%, de préférence inférieur de 2 à 20 %, au ratio volumique liquide/gaz du courant s’écoulant dans la portion S2, qui est plus proche de la deuxième extrémité 2b. Il s’agit dans ce cas de ratios volumiques liquide/gaz moyens sur les longueurs de chaque portion considérée. A noter que, de préférence, le courant réfrigérant diphasique introduit dans l’échangeur de chaleur E2 présente un ratio volumique liquide/gaz compris entre 10 et 100 %, de préférence entre 10 et 60 %, ledit ratio étant défini comme le rapport entre le débit volumique de phase liquide et le débit volumique de phase gazeuse du courant réfrigérant diphasique.

Avantageusement, chaque série de parois de guidage de fluide 121 , 122, 123, 221 , 222, 223 forme une ondulation comprenant une pluralité d’ailettes 123, 223 se succédant suivant la direction latérale y, avec des sommets d’onde 121 , 221 et des bases d’onde 122, 222 reliant alternativement lesdites ailettes 123, 223. Les ailettes se succèdent de préférence périodiquement. Lesdites ondulations présentent des pas p1 , p2 définis comme les distances entre deux ailettes successives d’une même ondulation mesurées suivant la direction latérale y. Pour exprimer les pas p1 et p2 des ondulations, on peut utiliser les relations p1 =25,4/n1 et p2=25,4/n2 avec n1 et n2 représentant respectivement le nombre d’ailettes 123, 223 par pouce, 1 pouce étant égal à 25,4 millimètres, des ondulations, mesuré suivant la direction latérale x.

De préférence, les premières et deuxième parois de guidage de fluide s’étendent parallèlement à la direction longitudinale z. Elles peuvent en outre être agencées parallèlement ou orthogonalement aux plaques 2.

De préférence, lesdites ondulations présentent des pas croissants suivant la direction longitudinale z. En d’autres termes, les ondulations présentent une densité d’ailettes décroissante suivant la direction longitudinale z.

De façon alternative ou complémentaire, lesdites ondulations présentent des épaisseurs de parois décroissantes suivant la direction longitudinale z.

Augmenter l’épaisseur ou réduire le pas d’ailettes permet d’augmenter la surface transversale de bords d’attaque vue par le courant réfrigérant diphasique vers la deuxième extrémité de l’échangeur, ce qui tend à augmenter les pertes de charges de charge, et donc la vitesse d’écoulement dans cette zone.

Par exemple, si l’on considère une structure S comprenant une première et une deuxième portions S1 , S2, la première portion S1 étant agencée en aval de la deuxième portion S2, c’est-à-dire plus loin de la deuxième extrémité 2b, les parois de la deuxième portion 221 , 222, 223 ont une deuxième épaisseur e2 supérieure à la première épaisseur e1 des parois 121 , 122, 123 de la première portion S1. Le terme « aval » est utilisé en considérant le sens d’écoulement du courant diphasique 203 dans les portions S1 , S2... La première portion S1 pourra présenter un premier pas d’ondulation p1 supérieur au deuxième pas d’ondulation p2 de la deuxième portion S2.

En tant qu’ondulations pour les séries de parois de la structure d’échange thermique S, on pourra utiliser les différents types d’ondes mis en œuvre habituellement dans les échangeurs du type à plaques et ailettes brasés. Les ondes pourront être choisies parmi les types d’onde connus tels les ondes droites, les ondes dites à décalage partiel (du type « serrated » en anglais), les ondes à vagues ou arrêtes de hareng (du type « herringbone » en anglais). Ces ondes pourront être perforées ou non.

Fig. 5 représente un mode de réalisation dans lequel une série de parois de guidage de fluide 121 ,122, 123, qui peuvent constituer une portion S1 de structure, forme une ondulation du type onde droite. Cette série de parois présente une surface A1 de section transversale de bords d’attaque 124.

Fig. 6 et Fig. 7 représentent des modes de réalisation dans lesquels plusieurs séries de parois de guidage de fluide, qui peuvent constituer plusieurs portions de structure S1 , S2, forment des ondes à décalage partiel.

Comme on le voit sur Fig. 7, la portion S2 comprend plusieurs séries de parois de guidage de fluide 221 i, 222i, 223i, 221 i+1 , 222i+1 , 223i+1 , 221 i+2, 222i+2, 223i+2. Les séries se succèdent suivant la direction longitudinale z et forment chacune une ondulation ayant une direction d’ondulation parallèle à la direction latérale y. Chaque ondulation est décalée d’une distance prédéterminée d2, suivant la direction latérale y, par rapport à une ondulation adjacente. Les ondulations présentent une longueur dite de serration L2 mesurée suivant la direction longitudinale z.

Dans le cas d’une onde à décalage partiel, la surface de section transversale A2 des bords d’attaque de la portion S2 correspond à la somme des surfaces de section transversale A2i, A2i+1 , A2i+2, mesurées orthogonalement à la direction

longitudinale z et exprimée par mètre de longueur d’échangeur, des bords d’attaque 224i, 224i+1 , 224i+2 de chaque série de parois de guidage.

La description ci-dessus est transposable à la portion S1 représentée sur Fig. 6.

Dans le cadre de l’invention, la variation de la section transversale de bords d’attaque de la structure d’échange S suivant la direction longitudinale z pourra être obtenue par variation d’au moins une dimension caractéristique, telle épaisseur, pas d’onde, longueur de serration... au sein de la structure. En particulier, cette variation pourra avoir lieu entre des portions de structures du même type. Par exemple, la structure d’échange thermique S pourra comprendre plusieurs portions d’ondes à décalage partiel, la longueur de serration augmentant en direction de la première extrémité.

Fig. 6 et Fig. 7 illustrent un tel mode de réalisation dans lequel la structure d’échange thermique S comprend au moins deux portions S1 , S2 sous forme d’ondes à décalage partiel. Avantageusement, la portion S2 agencée en amont de l’autre portion S1 , présente une longueur de serration L2 est inférieure à celle L1 de l’autre portion S1. Cela permet d’agencer plus de bords d’attaque par mètre de longueur d’échangeur du côté de la deuxième extrémité 2b, et donc d’y augmenter la surface transversale de bords d’attaque et les pertes de charge qui en résultent sur le fluide s’écoulant face à ces bords d’attaque.

De préférence, on choisira une longueur de serration L1 pour l’autre portion S1 supérieure à la longueur de serration L2 de la portion S2 d’un facteur compris entre 1 ,7 et 7, ceci pour une portion S2 agencée en amont à une autre portion S1 , de préférence de façon adjacente. Les longueurs de serration pourront être comprises entre 1 et 15 mm, de préférence entre 3 et 13 mm.

De préférence, les distances de décalage sont comprises entre 1 et 20 mm, de préférence entre 3 et 15 mm.

De préférence, les dimensions caractéristiques des ondes autres que les longueurs de serration, telles que distances de décalage, épaisseur, pas des ondulations... sont identiques au sein de la structure d’échange S.

On pourra également mettre en œuvre une variation du type d’onde au sein de la structure S pour équilibrer les pertes de charges subies par les fluides frigorigènes sur ces deux portions. Par exemple, agencer une ou plusieurs portions S2, S3 à décalage partiel du côté de la deuxième extrémité et agencer une ou plusieurs portions S1 , S2 sous forme d’onde droite du côté de la première extrémité. Une onde droite introduit en effet moins de bords d’attaque dans le passage et donc moins de pertes de charges.

En référence à Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 ou Fig. 7, notons que pour une structure d’échange thermique S1 ou S2 donnée comprenant des parois de guidage de fluide d’épaisseur e1 ou e2 formant au moins une première ondulation de pas p1 ou p2, de hauteur h1 ou h2, on peut définir les surfaces de section transversale A1 , A2 par mètre de longueur d’échangeur à l’aide des relations suivantes : Math 1

avec Ly la largeur du passage 10 dans lequel s’écoule le courant réfirgérant diphasique et

K1 ou K2 égal à 1 dans le cas où portion S1 ou S2 est une onde droite, c’est- à-dire dont les parois de guidage de fluide forment une ondulation unique, sans décalage,

ou

K1 = 1000/L1 ou K2=1000/L2 dans le cas où la portion S1 ou S2 est une onde à décalage partiel à plusieurs ondulations décalées, avec L1 ou L2 les longueurs de serration exprimées en millimètres pour S1 ou S2.

Par exemple, pour une onde à décalage partiel S2 dite « 1/8” serrated » (1”=1 pouce= 25,4 mm), on a L2=25,4/8=3,18 mm. Pour une onde à décalage partiel S1 dite « 1/5” serrated » (1”=1 pouce= 25,4 mm), on a L1 =25,4/5=5,08 mm.

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. 8 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel comportant un cycle de réfrigération supplémentaire dans lequel le gaz naturel est refroidi jusqu’à 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 dans un échangeur de chaleur supplémentaire E1 , dit échangeur de pré-refroidissement, agencé en amont de l’échangeur de chaleur E2, qui forme alors l’échangeur de liquéfaction.

Dans ce mode de réalisation, le courant d’alimentation 1 10 arrive par exemple à une pression comprise entre 4 MPa et 7 MPa et à une température comprise entre 30 °C et 60 °C. Le courant d’alimentation 1 10 comprenant un mélange d’hydrocarbures tel que le gaz naturel, le courant réfrigérant 202, le courant réfrigérant supplémentaire 30 entrent dans l’échangeur E1 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 E1 . 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. De préférence, le courant réfrigérant 202 sort totalement condensé de l'échangeur E1 , par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le courant 102 est ensuite introduit dans l’échangeur E2. Comme on le voit sur Fig. 8, le courant réfrigérant vaporisé sort de l'échangeur E2 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 deuxième courant réfrigérant issu de l'échangeur C2 est envoyé dans l’échangeur E1 par le conduit 20.

Le courant réfrigérant supplémentaire 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 %

Dans le procédé décrit par Fig. 8, le courant réfrigérant 202 n'est pas scindé en fractions séparées, mais, pour optimiser l'approche dans l'échangeur E2, 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 K2.

Dans l’échangeur supplémentaire E1 , qui est aussi du type à plaques et ailettes, au moins deux courants partiels issus du courant réfrigérant supplémentaire sont soutirés de l’échangeur en deux points de sortie distincts puis détendus à des niveaux de pression différents, formant ainsi au moins un premier et un deuxième fluides frigorigènes distincts F1 et F2 réintroduits dans l’échangeurs par des entrées 31 , 32 distinctes alimentant sélectivement des passages frigorigènes supplémentaires pour y être vaporisés avec le courant d’alimentation, le courant réfrigérant et une partie du courant réfrigérant supplémentaire.

Dans le mode de réalisation selon Fig. 8, trois fractions, également appelées débits ou courants partiels, 301 , 302, 303 du courant réfrigérant supplémentaire 30 en phase liquide sont successivement soutirées. Les fractions sont détendues à travers les organes de détente, tels des vannes, des turbines ou des combinaisons de vannes et de turbines, V11 , V12 et V13 à trois niveaux de pression différents, formant un fluide frigorigène F1 , un deuxième fluide frigorigène F2 et un troisième fluide frigorigène F3. Ces trois fluides frigorigènes F1 , F2, F3 sont réintroduits dans l’échangeur supplémentaire E1 puis vaporisés.

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 supplémentaire 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 courant réfrigérant supplémentaire à la sortie du condenseur C1 peut être comprise entre 10 °C et 45°C.

De préférence, les fluides frigorigènes F1 , F2, F3 s’écoulent depuis une extrémité 1 b de l’échangeur supplémentaire E1 vers une autre extrémité 1 a suivant la direction longitudinale z, dans le sens ascendant. L’extrémité 1 b correspond au bout froid de l’échangeur supplémentaire E1 où le fluide frigorigène F1 est introduit à la

température la plus basse des températures de l’échangeur supplémentaire E1. Avantageusement, l’échangeur E1 comprend au moins un des passages pour l’écoulement des fluides frigorigènes du cycle de pré-refroidissement dans lequel on agence au moins une structure d’échange thermique supplémentaire présentant une surface de section transversale de bords d’attaque qui décroît suivant la direction z. Ladite structure d’échange supplémentaire peut comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques décrites précédemment.

L’agencement de structures d’échange présentant différentes surfaces de section transversales de bords d’attaque permet d’équilibrer les pertes de charges subies par les fluides frigorigènes le long des passages frigorigènes, tout en gardant un niveau raisonnable de pertes de charge à l’autre extrémité 1 a de l’échangeur E1. Les performances énergétiques de l’installation industrielle intégrant l’échangeur E1 s’en trouvent encore améliorées.

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’autre sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides, d’autres types de structures d’échange thermique... sont bien sûr envisageables, selon les contraintes imposées par le procédé à mettre en œuvre.