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 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. Le document WO-A-2017081374 décrit une de ces méthodes connues. L’utilisation d’échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés permet d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé de liquéfaction décrit ci-dessus.

Ces échangeurs comprennent au moins un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi au moins 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 à l’extrémité froide de l’échangeur, c’est-à-dire l’extrémité présentant 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 dite chaude, 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 à l’extrémité froide 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 à l’extrémité froide 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 à l’extrémité froide, 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 à l’extrémité froide.

Toutefois, cette solution entraîne un inconvénient majeur. En effet, la section de l’échangeur est dimensionnée en considérant l’extrémité froide, 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 à l’extrémité chaude, 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 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 au moins un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes comprenant au moins une première partie et une deuxième partie, lesdites première et deuxième parties étant physiquement distinctes et comprenant chacune au moins un empilement de plusieurs plaques parallèles entre elles et à une direction longitudinale qui est sensiblement verticale, les plaques de la première partie et les plaques de la deuxième partie étant empilées suivant une direction d’empilement qui est orthogonale aux plaques, lesdites plaques étant empilées avec espacement de façon à délimiter entre elles plusieurs premiers passages pour l’écoulement d’au moins une partie d’un deuxième courant réfrigérant diphasique et plusieurs deuxièmes passages pour l’écoulement d’au moins une partie d’un premier courant réfrigérant diphasique dans la deuxième partie , ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) passage d’un courant d’hydrocarbures dans la première partie et la deuxième partie, b) introduction d’au moins un courant réfrigérant dans la première partie 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 la première partie dans un sens descendant opposé à la direction longitudinale, c) sortie du courant réfrigérant introduit à l’étape b) par la première sortie de la première partie, d) introduction du courant réfrigérant issu de l’étape c) dans la deuxième partie par une deuxième entrée jusqu’à une deuxième sortie de la deuxième partie, e) détente du courant réfrigérant issu de l’étape d) de sorte à produire un premier courant réfrigérant diphasique, f) introduction d’au moins une partie du premier courant réfrigérant diphasique dans les deuxièmes passages de la deuxième partie par au moins une troisième entrée jusqu’à une troisième sortie, g) sortie du premier courant réfrigérant diphasique par la troisième sortie de façon à obtenir un deuxième courant réfrigérant diphasique, h) introduction d’au moins une partie du deuxième courant réfrigérant diphasique dans la première partie par au moins une quatrième entrée de la première partie jusqu’à une quatrième sortie de sorte que ledit deuxième courant réfrigérant diphasique s’écoule dans un sens ascendant suivant la direction longitudinale dans les premiers passages, i) vaporisation au moins partiellement de ladite au moins une partie de premier courant réfrigérant diphasique dans les deuxièmes passages et de ladite au moins une partie de deuxième courant réfrigérant diphasique dans les premiers passages par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures de façon à produire un courant d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié en sortie de la deuxième partie, caractérisé en ce que la première partie présente une première section de passage de fluide définie comme le produit entre la hauteur et la largeur d’un premier passage, multiplié par le nombre de premiers passages de la première partie, et la deuxième partie présente une deuxième section de passage de fluide définie comme le produit entre la hauteur et la largeur d’un deuxième passage, multiplié par le nombre de deuxièmes passages de la deuxième partie, les hauteurs de chacun des passages étant mesurée suivant la direction d’empilement et les largeurs de chacun des passages étant mesurée suivant une direction latérale qui est orthogonale à la direction longitudinale et parallèle aux plaques, la deuxième section de passage de fluide de la deuxième partie étant inférieure à la première section de passage de fluide de la première partie.

Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la deuxième section de passage de fluide de la deuxième partie est inférieure à la première section de passage de fluide de la première partie d’un facteur diviseur au moins égal à 1 ,3, de préférence inférieur ou égal à 5, de préférence encore compris entre 1 ,5 et 3. les deuxièmes passages de la deuxième partie présentent une hauteur inférieure à la hauteur des premiers passages. le nombre de deuxièmes passages est inférieur au nombre de premiers passages. les plaques de la première partie et les plaques de la deuxième partie forment un ou plusieurs empilements définissent respectivement un ou plusieurs sous- ensembles de premiers passages formant chacun un premier module d’échange et un ou plusieurs sous-ensembles de deuxièmes passages formant chacun un deuxième module d’échange, lesdits premiers modules d’échange ayant chacun au moins une quatrième entrée, lesdites quatrièmes entrées de chaque premier module étant raccordées fluidiquement à une canalisation commune d’alimentation en deuxième courant réfrigérant diphasique, et lesdits deuxièmes modules d’échange ayant chacun au moins une troisième entrée, lesdites troisièmes entrée de chaque deuxième module d’échange raccordées fluidiquement à une canalisation commune d’alimentation en premier courant réfrigérant diphasique. la première partie comprend un nombre de premiers modules d’échange supérieur au nombre de deuxièmes modules d’échange de la deuxième partie. à l’étape f), la troisième entrée et la troisième sortie sont agencées de sorte que le premier courant réfrigérant diphasique s’écoule dans le sens ascendant dans les deuxièmes passages. à l’étape f), la troisième entrée et la troisième sortie sont agencées de sorte que le premier courant réfrigérant diphasique s’écoule dans le sens descendant dans les deuxièmes passages. à l’étape a), le courant d’hydrocarbures s’écoule dans le sens descendant l’échangeur de chaleur comprend au moins un dispositif séparateur de phase adapté pour séparer un courant réfrigérant diphasique en une phase gazeuse et une phase liquide, la première partie comprenant un dispositif séparateur de phase agencé entre la troisième sortie de la deuxième partie et la deuxième entrée de la première partie, la deuxième partie étant exempte de tout dispositif séparateur de phase entre la deuxième sortie et la troisième entrée de la deuxième partie. les premiers et deuxièmes passages de la première partie et de la deuxième partie présentent des longueurs mesurées suivant la direction longitudinale, lesdites longueurs étant inférieures à 8 m, de préférence inférieures à 5 m. à l’étape a), le courant d’hydrocarbures circule successivement dans la première partie et dans la deuxième partie, le courant d’hydrocarbures étant introduit totalement liquéfié dans la deuxième partie. au moins l’un parmi : le courant réfrigérant, le courant d’hydrocarbures, le courant réfrigérant diphasique présente une différence entre sa température d’introduction dans la deuxième partie et sa température de sortie de ladite deuxième partie comprise entre 10 et 40 °C, de préférence entre 10 et 30 °C. 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, ii) introduction du courant réfrigérant dans l’échangeur de chaleur supplémentaire, iii) introduction d’un courant réfrigérant supplémentaire dans l’échangeur de chaleur supplémentaire, iv) 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, v) réintroduction d’au moins une partie desdits fluides frigorigènes dans l’échangeur de chaleur supplémentaire, vi) refroidissement du courant d’alimentation et du courant réfrigérant par échange de chaleur avec au moins lesdits fluides frigorigènes diphasiques de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures pré-refroidi en sortie de l’échangeur de chaleur supplémentaire, vii) introduction du courant d’hydrocarbures et du courant réfrigérant issus de l’échangeur de chaleur supplémentaire dans la première partie.

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 l’art antérieur.

Fig. 2 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures 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 configuré pour l’écoulement d’un courant réfrigérant diphasique selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 4 est vue schématique en coupe de passages pour l’écoulement de courants réfrigérants diphasiques selon un mode de réalisation de l’invention, dans un plan orthogonal aux plaques de l’échangeur et orthogonal à la direction longitudinale.

Fig. 5 représente une partie d’échangeur selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 6 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 7 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures 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 selon l’art antérieur. Le courant d’hydrocarbures est de préférence 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 un courant réfrigérant 202 entrent dans un échangeur de chaleur E2 respectivement par une cinquième 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.

La première entrée 21 pour le courant réfrigérant 202 et la cinquième entrée 20 pour le courant d’hydrocarbures sont situées au niveau d’une première extrémité de l’échangeur 2a, de sorte que le courant d’hydrocarbures 102 et le courant réfrigérant

202 s’écoulent à co-courant dans le sens descendant, en direction d’une deuxième extrémité 2b de l’échangeur E2 qui est située, suivant la direction longitudinale z, à un niveau inférieur au niveau de la première extrémité 2a.

La première extrémité correspond au bout chaud de l’échangeur, c’est-à-dire l’extrémité présentant la température la plus élevée de l’échangeur E2, cette température la plus élevée étant de préférence la température d’introduction du courant d’hydrocarbures (en 20). Par opposition, l’extrémité froide d’un échangeur, également appelée « bout froid », est l’extrémité présentant la température la plus basse de l’échangeur, c’est-à-dire l’extrémité où un fluide est introduit à la température la plus élevée de toutes les températures de l’échangeur.

A sa sortie de l'échangeur E2, le courant réfrigérant 201 est détendu par un organe de détente, tel une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne, de façon à former une phase liquide et une phase gazeuse. Ces deux phases peuvent être séparées préalablement dans un séparateur 27 avant d’être recombinées et réintroduites à l’état de mélange liquide-gaz, c’est-à-dire diphasique, dans l'échangeur E2.

Au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 est réintroduit dans l’échangeur E2 par une deuxième entrée 41 située à la deuxième extrémité 2b et alimentant plusieurs passages 10 de l’échangeur. Le 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.

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

Afin de résoudre ces problèmes, l’invention propose de séparer l’échangeur de chaleur E2 en au moins deux parties distinctes : une première partie E2 et une deuxième partie E2’.

De préférence, la première partie présente un niveau de températures plus élevé que celui de la deuxième partie. Ces aux moins première et deuxième parties forment chacune un échangeur distinct, de préférence elles sont du type à plaques et ailettes brasées.

Fig. 2 schématise la circulation des fluides du procédé dans un échangeur à deux parties selon un mode de réalisation de l’invention. Etant entendu que tout ou partie des caractéristiques de l’art antérieur qui ne seraient pas en contradiction avec l’invention peuvent s’appliquer au procédé selon l’invention.

Le courant d’hydrocarbures 102 circule dans au moins une première partie E2 et une deuxième partie E2’ disposées en série.

De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 est d’abord introduit par une cinquième entrée 20 de la première partie E2 à une première température T1. On obtient un courant d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié 101 en sortie de la première partie E2 à une deuxième température T2 inférieure à la première température T1.

De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit à l’état totalement gazeux ou partiellement liquéfié dans la première partie E2 à une température comprise entre -80 et -35 °C.

Selon une autre possibilité, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit totalement liquéfié dans la première partie E2 à une température comprise entre -130 et -100 °C.

Le courant 101 est ensuite introduit dans la deuxième partie E2’ et on obtient en sortie de la deuxième partie E2’ un courant d’hydrocarbures totalement liquéfié 220 et sous-refroid i, à une troisième température T3 inférieure à la deuxième température T2. De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 s’écoule dans le sens descendant. De préférence, la troisième température T3 est comprise entre -105 et - 145 °C.

Avantageusement, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit au moins partiellement, voire totalement liquéfié dans l’échangeur de chaleur E2’. Le courant réfrigérant 202 circule dans la première partie E2 depuis au moins une première entrée 21 située à une première extrémité 2a de la première partie E2 vers une première sortie 22 située à une deuxième extrémité 2b de la première partie E2. La première extrémité 2b est positionnée à un niveau inférieur par rapport à la première extrémité, de sorte que le courant réfrigérant 202 s’écoule parallèlement à la direction longitudinale z mais dans un sens descendant qui est opposé à la direction z.

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 et/ou du butane. De préférence, lesdits hydrocarbures contiennent au plus trois atomes de carbone, de préférence au plus deux atomes de carbone. 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 %

Avantageusement, le courant d’hydrocarbure 102 s’écoule à co-courant avec le courant réfrigérant 202.

Le courant réfrigérant sort 201 de la première partie E2 pour entrer dans la deuxième partie E2’ par au moins une deuxième entrée 51 de la deuxième partie E2’ située à une troisième extrémité 2a’ de la deuxième partie E2’.

Le courant réfrigérant 201 issu de la deuxième partie E2’ est détendu, de préférence par au moins une turbine, une vanne, ou une combinaison des deux, de sorte à produire un premier courant réfrigérant diphasique 203 qui est réintroduit dans la deuxième partie E2’ par au moins une troisième entrée 61 située au niveau d’une quatrième extrémité 2b’. Le premier courant réfrigérant diphasique 203 s’écoule dans des deuxièmes passages 10’ de la deuxième partie E2’.

Le premier courant réfrigérant diphasique 203 sort par une troisième sortie 62 de la deuxième partie E2’ et donne lieu à un deuxième courant réfrigérant diphasique 204 qui est introduit dans la première partie E2 par au moins une quatrième entrée 41 située au niveau de la deuxième extrémité 2b de sorte que ledit deuxième courant réfrigérant diphasique 204 s’écoule dans des premiers passages 10 de la première partie E2 dans un sens ascendant orienté suivant la direction longitudinale z. Notons que la réintroduction de ladite au moins une partie de premier courant réfrigérant diphasique 203 et/ou de ladite au moins une partie de deuxième courant réfrigérant diphasique peut être réalisée de plusieurs façons.

Les deux phases de ces courants diphasiques 203 et/ou 204 peuvent être séparées préalablement dans un organe séparateur 27 et/ou 28 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 61 et/ou 41 , comme représenté sur Fig. 2. 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. Dans ce cas, le courant diphasique est réintroduit en totalité ou quasi-totalité.

Selon une variante de réalisation (non illustrée), les phases liquide et gazeuse des courants 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 les phases liquides séparées des courants 203, 204 diphasique sont réintroduites par les entrées 61, 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 les fluides diphasiques peuvent éventuellement être réintroduits directement à l’état de mélange liquide-gaz.

De préférence, ladite au moins une partie du premier courant réfrigérant diphasique 203 est réintroduite dans la deuxième partie E2’ à une température comprise entre - 120 et -160 °C.

De préférence, ladite au moins une partie du deuxième courant réfrigérant diphasique 204 sort de la première partie E2 à une température supérieure à la température de réintroduction du premier courant diphasique dans la deuxième partie E2’, de préférence comprise entre -35 et -130 °C. La liquéfaction du courant d’hydrocarbures 101, 102 a lieu par échange de chaleur avec au moins le premier courant réfrigérant diphasique 203 dans la deuxième partie E2’ et le deuxième courant réfrigérant diphasique 204 dans la première partie E2.

Le gaz naturel sort 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.

Les premières et deuxième parties d’échangeur E2, E2’ sont des échangeurs du type à plaques et ailettes comprenant chacune plusieurs plaques 221, 222,... parallèles entre elles et à la direction longitudinale z qui est sensiblement verticale.

Fig. 3 et Fig. 4 schématisent les deuxièmes passages de la deuxième partie E2’ suivant deux plans de coupe orthogonaux. Cette description est transposable aux premiers passages 10 qui présentent une structure similaire.

Fig. 3 montre un deuxième passage 10’ configuré pour vaporiser le premier courant réfrigérant diphasique 203. La deuxième partie E2’ comprend plusieurs plaques 202 (non visibles) qui sont disposées parallèlement les unes au-dessus des autres avec espacement suivant une direction d’empilement x qui est orthogonale aux plaques 222 et à la direction longitudinale z.

De préférence, des tôles séparatrices 422 sont interposées entre les plaques 222 de façon à délimiter avec lesdites plaques 222 une pluralité de deuxièmes passages 10’. Un deuxième passage 10’ est formé entre deux plaques 202 adjacentes. Les deuxièmes passages ne sont pas nécessairement adjacents. De préférence, chaque passage de la première partie E2’ a une forme parallélépipédique et plate et les plaques 202 de la première partie E2’ ont sensiblement les mêmes dimensions suivant les directions z et y, si bien qu’un empilement de plaques et de passages a une forme globale parallélépipédique.

Les tôles séparatrices 422 n’obturent pas complètement les passages 10’ mais laissent des ouvertures d’entrée 61 et de sortie 62. Les entrées et sorties 61, 62 de chaque deuxièmes passages 10’ sont réunies par des collecteurs 71, 82 servant à l’introduction et à l’évacuation du courant réfrigérant diphasique 203.

Dans la deuxième partie E2’, le courant d’hydrocarbures 101 circule dans une autre série de passages calorigènes (non illustrée) agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des deuxièmes passages 10’. L’écoulement des fluides dans les passages a lieu globalement parallèlement à la direction longitudinale z. Sur Fig. 3, le premier courant diphasique 203 circule en sens ascendant.

Comme on le voit sur Fig. 4, un deuxième passage 10’ présente une hauteur x2 mesurée suivant la direction d’empilement x et une largeur y2 mesurée suivant une direction latérale y qui est orthogonale à la direction longitudinale z et parallèle aux plaques 222. La longueur z2 d’un deuxième passage 10’, mesurée suivant la direction longitudinale z, est visible sur Fig .3. Les premiers passages 10’ présentent sensiblement les mêmes dimensions.

De même, un premier passage 10 (non illustré) présente une hauteur x1 mesurée suivant la direction d’empilement x et une largeur y1 mesurée suivant la direction latérale y.

On définit la section de passage de fluide d’un passage de la première ou de la deuxième partie comme la surface de la section transversale dudit passage, mesurée dans un plan orthogonal à la direction longitudinale z. Cette surface correspond au produit entre largeur et hauteur d’un passage.

Chaque partie d’échangeur présente donc une section totale de passage de fluide correspondant à la somme des sections transversales de chaque passage formant ladite partie.

Etant entendu que pour chaque partie E2, E2’, les passages 10, 10’ peuvent appartenir à un ou plusieurs empilements de plaques formant un plusieurs modules, appelés « cores » en anglais. De façon connue, ces modules sont alimentés en parallèle par les fluides du procédé.

Pour chaque partie, on considérera donc, lorsque celle-ci est formée de plusieurs empilements ou modules, le nombre total de passages qu’elles comprend pour définir la section totale de passage de fluide, que ces passages fassent partie d’un même module d’échangeur ou non.

Selon l’invention, la première partie E2 présente une première section de passage de fluide S1 , définie comme le produit entre la hauteur x1 et la largeur y1 d’un premier passage 10, multiplié par le nombre N1 de premiers passages 10 de la première partie E2, et la deuxième partie E2’ présente une deuxième section de passage de fluide S2, définie comme le produit entre la hauteur x2 et la largeur y2 d’un deuxième passage 10’, multiplié par le nombre N2 de deuxièmes passages 10’ de la deuxième partie E2’, avec S2 inférieur à S1. N1 et N2 sont des nombres entiers supérieurs à 1. Ainsi, en séparant l’échangeur E2 en au moins deux parties distinctes, on dissocie plusieurs étages où a lieu la vaporisation successive du courant diphasique. Cela permet de dimensionner les sections de passages de fluide de chaque partie de la manière appropriée. En l’espèce, on réduit la section de la deuxième partie E2’, là où est introduit en premier lieu le premier courant réfrigérant diphasique 203 et où commence la vaporisation, car c’est la partie la plus froide de l’échangeur dans laquelle le premier courant réfrigérant diphasique contient relativement peu de gaz. Réduire la section de passage de fluide permet d’augmenter les pertes de charges et la vitesse d’écoulement, favorisant l’ascension du premier courant diphasique 203 dans la deuxième partie E2’.

A mesure que le courant réfrigérant diphasique s’écoule et échange de la chaleur avec le courant d’hydrocarbures, le taux de vaporisation partielle, et donc la quantité de gaz, augmente. On dimensionne donc la première partie avec une section de passage plus grande que celle de la deuxième partie, ce qui réduit les pertes de charges pour le deuxième courant diphasique 204 s’écoulant dans la première partie E2.

L’échangeur selon l’invention permet d’équilibrer les pertes de charge suivant la longueur des premiers et deuxièmes passages et de maintenir un niveau raisonnable de pertes de charges au bout chaud. 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 au bout froid 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.

Les passages 10, 10’ de la première partie E2 et la deuxième partie E2’ peuvent présenter des longueurs respectives z1 , z2 mesurées suivant la direction longitudinale z, lesdites longueurs z1 , z2 étant inférieures à 8 m, de préférence inférieures à 5 m. Les longueurs de premiers et deuxième passages peuvent être dimensionnées de façon à conserver la même longueur d’échange totale qu’avec un échangeur classique.Ainsi, un échangeur classique E2 selon l’art antérieur présente une longueur de passages pour le courant réfrigérant diphasique d’au moins 6 m, de préférence comprise entre 6 et 10 m.

Fig. 2 représente un échangeur divisé en deux parties distinctes E2 et E2’, étant entendu que l’échangeur peut être divisé en un plus grand nombre de parties, ce qui permet d’équilibrer encore plus finement. Lesdites parties présenteront des sections de passage de fluide croissantes suivant la direction longitudinale z.

Par exemple, l’échangeur E2 pourra comprendre au moins une partie intermédiaire E2” agencée entre la première partie E2 et la deuxième partie E2’, et comprenant des passages intermédiaires dans lequel s’écoule un courant réfrigérant diphasique intermédiaire issu du premier courant diphasique 203. Ladite au moins une partie intermédiaire présentera une section de passage de fluide intermédiaire S3 telle que définie ci-dessus, S3 étant supérieure à S2 et inférieure à S1.

De préférence, la deuxième section de passage de fluide S2 est inférieure à la première section de passage de fluide S1 d’un facteur diviseur au moins égal à 1 ,3, de préférence inférieur ou égal à 5, de préférence encore compris entre 1 ,5 et 3.

Un tel facteur diviseur permet d’équilibrer efficacement les pertes de charges subies par les premier et deuxième courants réfrigérants diphasiques 203 et 204 au niveau des deuxième et première parties respectivement, en particulier lorsque le premier courant 203 s’écoule dans la deuxième partie E2’ avec un ratio volumique liquide/gaz de préférence supérieur de 2 à 20 % par rapport au ratio volumique liquide/gaz du deuxième courant 204 s’écoulant dans la première partie E2.

A noter que, de préférence, le premier courant réfrigérant diphasique 203 introduit dans la deuxième partie E2’ présente un ratio volumique liquide/gaz compris entre 10 et 100 %, de préférence entre 10 et 60%, ledit ratio d’un courant diphasique étant défini comme le rapport entre le débit volumique de phase liquide et le débit volumique de phase gazeuse dudit courant.

Selon un mode de réalisation, la réduction de la deuxième section S2 par rapport à la première section S1 est réalisée en réduisant les dimensions, largeur et/ou hauteur des deuxièmes passages 10’ de la deuxième partie E2’ par rapport aux dimensions des premiers passages 10.

En particulier, la réduction de la deuxième section S2 par rapport à la première section S1 peut être réalisée en réduisant la hauteur des deuxièmes passages 10’ de la deuxième partie E2’ par rapport à la hauteur des premiers passages 10. La largeur des passages 10,10’ et/ou le nombre de passages 10,10’ peuvent éventuellement être identiques.

On peut également agencer un nombre N2 de deuxièmes passages 10’ inférieur au nombre N1 de premiers passages 10. Les premiers et deuxièmes passages 10, 10’ peuvent éventuellement présenter des hauteurs et/ou des largeurs sensiblement identiques. On réduit donc la hauteur d’empilement des passages.

Selon un mode particulier de réalisation, la première partie E2 comprend plusieurs sous-ensembles de premiers passages 10 formant chacun un premier module d’échange 21 A, 21 B,... et la deuxième partie E2’ comprend plusieurs sous- ensembles de deuxièmes passages 10’ formant chacun un deuxième module d’échange 22A, 22B,... Les parties E2, E2’ forment alors chacune un ensemble de plusieurs modules, appelés « cores » en anglais, disposés en parallèle.

Fig. 5 représente un exemple d’un tel agencement pour la première partie E2’. Les deuxièmes modules d’échange 22A, 22B,... comprennent chacun au moins une troisième entrée 61 A, 61 B,... Lesdites troisièmes entrées de chaque deuxième module d’échange sont raccordées fluidiquement, de préférence via des collecteurs d’entrée 71 disposés sur chaque module, à une canalisation d’alimentation commune 43 qui alimente les deuxièmes passages 10’ de chaque module 22A, 22B en premier courant réfrigérant diphasique 203. Le premier courant diphasique 203 est évacué de chaque module 22A, 22B par des troisièmes sorties 62A, 62B,...réunies par des collecteurs de sortie 82 qui sont reliés à une canalisation d’évacuation commune 45. Ces caractéristiques énoncées pour la deuxième partie E2’ sont transposables à la première partie E2 et ne sont pas détaillées par souci de concision. Avantageusement, la deuxième partie E2’ comprend un nombre de deuxièmes modules d’échange 22A, 22B,... inférieur au nombre de premiers modules d’échange de la première partie. Ainsi, on peut utiliser dans l’échangeur E2 des modules d’échange dont les dimensions de passages et le nombre de passages sont sensiblement égaux, ce qui rationalise les coûts et simplifie la fabrication de l’unité.

La réduction de la section de passage de fluide est réalisée en réduisant le nombre de modules, réduisant ainsi le nombre total de passages de la deuxième partie.

Dans le mode de réalisation représenté sur Fig. 2, la quatrième extrémité 2b’ et la au moins une troisième entrée 61 pour le premier courant réfrigérant diphasique 203 est située, en suivant la direction longitudinale z à un niveau inférieur à celui de la troisième extrémité 2a’. Le premier courant réfrigérant diphasique 203 s’écoule donc en un sens ascendant dans les deuxièmes passages 10’, tout comme le deuxième courant réfrigérant diphasique 204.

Selon une variante de réalisation, la quatrième extrémité 2b’ avec la moins une troisième entrée 61 est située, suivant la direction longitudinale z à un niveau supérieur au niveau de la troisième extrémité 2a’, de sorte que le premier courant réfrigérant diphasique 203 s’écoule dans le sens descendant dans les deuxièmes passages 10’. Dans la deuxième partie E2’ retournée, la phase liquide du premier courant diphasique 203 descend sous l’effet de la gravité. Donc le fait d’avoir un ratio volumique liquide/gaz relativement important à la quatrième extrémité 2b’ est moins critique pour la progression du courant diphasique dans l’échangeur. On dispose ainsi d’autres degrés de liberté dans la conception de l’échangeur car il n’est plus nécessaire d’assurer une vitesse minimale d’écoulement pour conserver une bonne distribution initiale du premier courant diphasique.

Cette variante de réalisation est visible sur Fig. 7 qui illustre un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures à au moins un cycle de réfrigération supplémentaire, étant précisé qu’un retournement de la deuxième partie E2’ peut être mis en œuvre en dehors de ce cadre, en particulier dans un procédé à un cycle de réfrigération tel que représenté sur Fig. 2.

De préférence, les courants diphasiques 204, 203 sortant de chaque parties E2, E2’ sont séparés en une phase liquide et une phase gazeuse dans des dispositifs séparateurs de phase 27, 28. On peut utiliser tout dispositif connu tel un pot séparateur mettant en œuvre une étape de compression et de refroidissement du courant diphasique. Les deux phases de chaque courant diphasique sont ensuite recombinées selon les différentes possibilités précédemment décrites. Optionnellement, le procédé selon l’invention ne comprend aucun dispositif séparateur 28 associé à l’introduction du premier courant diphasique 203 dans la deuxième partie E2’. En effet, le gradient de température dans cette deuxième partie est relativement faible. Par « gradient de température », on entend la différence entre la température d’introduction d’un fluide et sa température de sortie de la deuxième partie, c’est-à-dire l’écart de température sur lequel les fluides circulant dans la deuxième partie sont réchauffés ou refroidis selon le cas. Cet écart est sensiblement le même pour tous les fluides. Typiquement, pour chaque fluide, la différence entre sa température d’entrée et sa température de sortie de la deuxième partie E2’ est comprise entre 10 et 40°C, de préférence entre 10 et 30°C. C’est le cas en particulier pour une deuxième partie E2’ ayant une longueur des passages inférieure ou égale à 5 m. Notons qu’habituellement les gradients de température sont plutôt de l’ordre de 80 à 110°C pour un échangeur classique.

Du fait de sa section de passage réduite, la deuxième partie E2’ est moins sensible à la maldistribution qu’un échangeur E2 classique à une seule partie, c’est-à-dire un échangeur selon l’art antérieur dans lequel la section de passage de fluide pour le courant diphasique est constante sur la longueur de l’échangeur. On peut donc éventuellement s’affranchir d’un dispositif séparateur.

Notons qu’il est envisageable que plusieurs courant réfrigérants 202a, 202b soient introduits dans la première partie E2, comme illustré sur Fig. 8. Ces courants sont des phases gazeuse et liquide issues d’un séparateur 29 alimenté par un courant 202 détendu à un niveau donné. A sa sortie de la première partie, la phase liquide est détendue puis recombinée avec le courant 204 avant le séparateur 27. La phase gazeuse 202a circule dans la première et la deuxième partie E2, E2’. Plusieurs niveaux de détente peuvent être mis en œuvre, donnant lieux à plusieurs courant réfrigérants 202a, 202b, 202c...

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. 6 et Fig. 7 schématisent 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, un courant d’alimentation 110 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 110 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 sort de l'échangeur de pré-refroidissement E1 , par exemple à une température comprise entre -35 °C et -70 °C. 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 la première partie E2.

Le courant réfrigérant vaporisé sort de la deuxième partie 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 30 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. 6 et Fig. 7, 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 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 vannes de détente 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 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 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. Les fluides frigorigènes F1 , F2, F3 s’écoulent depuis l’extrémité froide 1b de l’échangeur E1 vers son extrémité chaude 1a suivant la direction longitudinale z, dans le sens ascendant.

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.