La présente invention concerne un dispositif mélangeur pour distribuer de façon plus homogène un mélange de deux phases liquide/gaz dans au moins un passage d’un échangeur de chaleur ainsi qu’une installation d’échange de chaleur comprenant un tel dispositif mélangeur.

En particulier, la présente invention peut s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange liquide-gaz à plusieurs constituants, par exemple un mélange comprenant des hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel, qui se refroidit, voire se liquéfie au moins en partie, voire du gaz naturel liquéfié qui se sous-refroidit.

Parmi les procédés utilisant un ou plusieurs cycles de réfrigération de fluide avec réfrigérant diphasique, i.e. à l’état de mélange liquide/gaz, on connaît plusieurs méthodes de liquéfaction d’un courant de gaz naturel pour obtenir du gaz naturel liquéfié (GNL). Typiquement, un courant réfrigérant, généralement un mélange à plusieurs constituants, tel qu’un mélange contenant des hydrocarbures, est comprimé par un compresseur puis introduit dans un échangeur ou une succession d’échangeurs où il est totalement liquéfié et sous-refroidi jusqu’à la température la plus froide du procédé atteinte par les fluides qui se refroidissent, typiquement celle du courant de gaz naturel liquéfié. A la sortie la plus froide de l’échangeur, le courant réfrigérant est détendu en formant une première phase et une deuxième phase . Ces deux phases sont séparées au moyen d’un séparateur de phases puis réintroduites dans l’échangeur et remélangées avant d’être réintroduites dans l’échangeur. Le courant réfrigérant introduit à l’état diphasique dans l’échangeur y est vaporisé contre le courant d’hydrocarbures qui se liquéfie et contre le gaz naturel. Le document WO-A- 2017081374 décrit une de ces méthodes connues.

L’utilisation d’échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés permet d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé, et ce dans un volume limité.

Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de plusieurs ensembles de passages positionnés les uns sur les autres, les uns étant destinés à la circulation d’un fluide calorigène, par exemple le courant d’hydrocarbures à liquéfier, d’autres étant destinés à la circulation d’un fluide frigorigène, par exemple le courant réfrigérant diphasique à vaporiser.

Des structures d’échange thermique, telles des ondes d’échange thermique, sont généralement disposées dans les passages de l’échangeur. Ces structures comprennent des ailettes qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur et permettent d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur. Elles jouent également le rôle d’entretoises et contribuent à la tenue mécanique des passages.

Il se pose certains problèmes dans les échangeurs mettant en œuvre des courants réfrigérants de nature diphasique, en particulier lorsque leur vaporisation a lieu en écoulement vertical ascendant.

En effet, afin d’assurer le bon fonctionnement de l’échangeur, c’est-à-dire notamment de maximiser l’utilisation de sa surface d’échange, en particulier pour un échangeur mettant en œuvre un mélange liquide-gaz, la proportion de phase liquide et de phase gazeuse doit être la même dans tous les passages et doit être uniforme au sein d’un même passage.

Le dimensionnement de l’échangeur est calculé en supposant une répartition uniforme des phases, et donc une seule température de fin de vaporisation de la phase liquide par passage, égale à la température de rosée du mélange.

Pour un mélange à plusieurs constituants en particulier, la température de fin de vaporisation va dépendre de la proportion de phase liquide et de phase gazeuse dans les passages étant donné que les deux phases n’ont pas les mêmes compositions.

Dans le cas d’une répartition inégale des deux phases, le profil de température du premier fluide va donc varier selon les passages et/ou au sein d’un même passage. Du fait de cette répartition non uniforme, il peut alors arriver que le ou les fluides en relation d’échange avec le mélange à deux phases aient une température en sortie de l’échangeur supérieure à celle prévue, ce qui dégrade en conséquence les performances de l’échangeur de chaleur.

Une solution pour répartir le plus uniformément possible les phases liquide et gazeuse du mélange consiste à les introduire séparément dans l’échangeur, puis à les mélanger entre elles seulement à l’intérieur de l’échangeur.

Les documents FR-A-2563620 ou WO-A-2018172644 décrivent de tels échangeurs dans lesquels une barre rainurée est insérée dans la série de passages destinée à canaliser le mélange à deux phases. Ce dispositif mélangeur comporte une série de canaux ou rainures séparés pour l’écoulement de la phase liquide du réfrigérant et une autre série de canaux séparés pour l’écoulement de la phase gazeuse du réfrigérant. Les canaux d’une série sont reliés fluidiquement à des canaux de l’autre série par des orifices de façon à ce qu’un mélange liquide-gaz, i. e. un courant diphasique, soit distribué en sortie du dispositif mélangeur vers la zone d’échange thermique. Chaque passage de fluide frigorigène de l’échangeur est muni d’un tel dispositif.

Un problème qui se pose avec ce type de dispositifs mélangeurs concerne la répartition inégale du mélange liquide-gaz dans la largeur des passages de l’échangeur.

En effet, le mélange à deux phases est distribué en sortie des canaux débouchant dans le passage. Comme les canaux sont disposés à une certaine distance les uns des autres, l’introduction du mélange liquide-gaz dans la zone d’échange se fait de façon discrète sur la largeur du passage. Au fur et à mesure que le fluide s’écoule suivant la direction globale d’écoulement dans l’échangeur, une répartition peut avoir lieu dans la direction orthogonale à la direction globale d’écoulement, notamment grâce aux ondes d’échanges employées généralement dans ce type d’échangeur telles que des ondes perforées ou à serration (du terme « serrated » en langue anglaise). Ainsi les ondes de type « serrated » ont tendance à dévier une partie du fluide de sa direction d’écoulement et les ondes perforées mettent en relation fluidique les canaux formés par les ondes.

Toutefois, l’homogénéisation de la distribution de fluide dans la largeur de l’échangeur n’est atteinte qu’après une certaine distance parcourue par le mélange après la sortie du dispositif mélangeur. Sur cette distance, le fluide alimente la zone d’échange avec des débits massiques inégaux selon la position considérée dans la largeur de l’échangeur, certains canaux des ondes d’échange peuvent être peu, voire non alimentés. Les performances de l’échangeur sont dégradées. En outre, un telle répartition par déviation latérale du fluide n’est pas possible avec des ondes droites non perforées.

Les échangeurs travaillant sous des écarts de températures faibles entre les fluides calorigènes et frigorigènes sont d’autant plus sensibles à ce phénomène de maldistribution. De plus, le phénomène de distribution inhomogène s’accentue dans le cas d’un mélange réfrigérant à plusieurs constituants. Aucune des solutions existantes n’est satisfaisante. Ainsi, l’agencement d’un espace libre en sortie du dispositif mélangeur pose des problèmes en termes de tenue mécanique de l’échangeur et peut conduire à une accumulation de la première phase dans cette zone. L’augmentation du nombre de canaux se succédant dans la largeur de l’échangeur conduit à diminuer le débit de la première phase au travers de chaque orifice de chaque canal et nuit à la bonne distribution du mélange diphasique en sortie du dispositif mélangeur. Enfin, l’agencement d’ondes du type « hardway » en sortie du dispositif mélangeur ou l’agencement de dispositifs mélangeurs à géométrie plus complexe augmente les pertes de charges ce qui dégrade les performances du procédé.

La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un dispositif mélangeur permettant une distribution plus homogène d’un mélange diphasique dans la largeur d’un passage d’échangeur de chaleur tout en limitant les pertes de charge que peut subir le mélange diphasique à la sortie du dispositif mélangeur.

La solution selon l’invention est alors un dispositif mélangeur pour distribuer un mélange d’une première phase et d’une deuxième phase d’un premier fluide globalement suivant une direction longitudinale dans au moins un passage d’un échangeur de chaleur, ledit dispositif mélangeur comprenant :

- au moins un canal latéral configuré pour l’écoulement d’une première phase du premier fluide à partir d’au moins une première entrée,

- une série de canaux longitudinaux s’étendant suivant la direction longitudinale et configurés chacun pour l’écoulement d’une deuxième phase du premier fluide à partir d’une deuxième entrée jusqu’à une deuxième sortie, lesdits canaux longitudinaux se succédant suivant une direction latérale orthogonale à la direction longitudinale, et

- au moins un orifice reliant fluidiquement ledit canal latéral à au moins un canal longitudinal de sorte que le dispositif mélangeur est configuré pour distribuer un mélange de la première phase et de la deuxième phase par la deuxième sortie dudit au moins un canal longitudinal, caractérisé en ce que ledit au moins un canal longitudinal est divisé, suivant la direction longitudinale, en au moins une portion amont et une portion aval ayant chacune une longueur mesurée dans la direction longitudinale et une largeur mesurée dans la direction latérale, la portion aval étant agencée entre la portion amont et la deuxième sortie, ladite portion aval ayant, en tout point de sa longueur, une largeur supérieure à la largeur de la portion amont.

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

- la portion aval présente une largeur croissante, de préférence croissante continue, sur sa longueur en direction de la deuxième sortie.

- la portion aval présente une largeur minimale et une largeur maximale avec le rapport D _M / D _m supérieur ou égal à 1,1, de préférence supérieur ou égal à 1 ,8 et/ou inférieur ou égal à 4.

- tout ou partie de la portion aval présente, en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale et à la direction latérale, un profil externe en forme de trapèze isocèle.

- tout ou partie de la portion aval présente, en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale et à la direction latérale, un profil externe curviligne.

- la portion aval débouche au niveau d’une face aval du dispositif mélangeur, le profil externe formant un angle, mesuré entre la tangente audit profil externe au point d’intersection avec la face aval et l’axe de symétrie du canal longitudinal, compris entre 5 et 85°.

- la portion amont du canal longitudinal est raccordée à la portion aval par une extrémité, ledit au moins un orifice débouchant dans ledit canal longitudinal au niveau de la portion amont à une distance de l’extrémité, de préférence est supérieure ou égale à 4% et de préférence comprise entre 7 et 90 % de la longueur de la portion amont.

- le moins un orifice est agencé de sorte que, lorsque la première phase s’écoule à partir de la première entrée du canal latéral et la deuxième phase s’écoule à partir de la deuxième entrée du canal longitudinal, le mélange de la première phase et de la deuxième phase a lieu en amont de la portion aval.

- le ou les orifices du dispositif mélangeur débouchent tous au niveau de la portion amont d’un canal longitudinal.

- chaque canal longitudinal de la série de canaux longitudinaux comprend au moins un orifice débouchant au niveau de sa portion amont, la position du au moins un orifice suivant la direction longitudinale variant entre les canaux longitudinaux. - la longueur de la portion amont et la longueur de la portion aval sont telles que le rapport l_3 / L4 est compris entre 1 et 15, de préférence entre 3 et 12.

- tout ou partie de la portion amont présente, en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale et à la direction latérale, un profil externe rectiligne avec une largeur constante qui est de préférence égale à la largeur minimale de la portion aval.

- la portion aval présente une profondeur, mesurée dans une direction dite d’empilement qui est perpendiculaire à la direction longitudinale et perpendiculaire à la direction latérale, croissante en direction de la deuxième sortie.

- le canal longitudinal comprend au moins un obstacle agencé de manière à subdiviser la portion aval en plusieurs canaux intermédiaires débouchant au niveau de la deuxième sortie, de préférence lesdits canaux intermédiaires sont agencés de façon symétrique par rapport à l’axe de symétrie du canal longitudinal.

- au niveau de la deuxième sortie, la surface totale dudit au moins un obstacle mesurée dans un plan de coupe transversale perpendiculaire à la direction longitudinale représente entre 20 et 80%, de préférence entre 30 et 70%, de la section totale de passage de fluide de la surface de la portion aval mesurée dans ledit plan de coupe transversale.

- le au moins un obstacle présente une largeur, mesurée suivant la direction latérale, croissante en direction de la deuxième sortie, avec de préférence au moins un obstacle présentant, selon un plan de coupe longitudinale, un profil externe curviligne.

- le canal longitudinal comprend en outre au moins un canal d’équilibrage mettant en communication fluidique les canaux intermédiaires.

En outre, l’invention concerne un échangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques agencées parallèlement entre elles et à une direction longitudinale, lesdites plaques étant empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins un premier ensemble de passages configurés pour l’écoulement du premier fluide globalement suivant la direction longitudinale et au moins un deuxième ensemble de passages configurés pour l’écoulement d’un deuxième fluide à mettre en relation d’échange thermique avec le premier fluide, au moins un passage du premier ensemble comprenant un dispositif mélangeur selon l’invention. Par ailleurs, l’invention concerne une installation d’échange de chaleur comprenant :

- un échangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques agencées parallèlement entre elles et à une direction longitudinale, lesdites plaques étant empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins un premier ensemble de passages configurés pour l’écoulement d’un premier fluide globalement suivant la direction longitudinale et au moins un deuxième ensemble de passages configurés pour l’écoulement d’un deuxième fluide à mettre en relation d’échange thermique avec le premier fluide,

- une source d’une première phase du premier fluide reliée fluidiquement à au moins un premier collecteur de l’échangeur de chaleur,

- une source d’une deuxième phase du premier fluide reliée fluidiquement à au moins un deuxième collecteur de l’échangeur de chaleur,

- un dispositif mélangeur selon l’invention, ledit dispositif mélangeur étant agencé dans au moins un passage de la première série et configuré pour distribuer le premier fluide formé d’un mélange de la première phase et de la deuxième phase dans ledit passage de la première série, la première entrée du canal latéral étant en communication fluidique avec ledit premier collecteur, et la deuxième entrée étant en communication fluidique avec le deuxième collecteur, la première phase étant une phase liquide et la deuxième phase étant une phase gazeuse.

De préférence, la première phase est une phase liquide. La deuxième phase est une phase gazeuse.

Selon un autre aspect, l’invention a trait à un procédé de mélange d’une première phase et d’une deuxième phase d’un premier fluide dans un dispositif mélangeur selon l’invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : i) introduction de la première phase du premier fluide par au moins une première entrée du canal latéral, ii) introduction de la deuxième phase du premier fluide par une deuxième entrée de chaque canal longitudinal, la deuxième phase s’écoulant dans chaque canal longitudinal suivant la direction longitudinale jusqu’à une deuxième sortie dudit canal longitudinal, iii) écoulement d’au moins une partie de la première phase depuis le canal latéral vers le canal longitudinal par l’orifice de façon à mélanger de la première phase avec la deuxième phase dans le canal longitudinal, iv) distribution du mélange de la première phase et de la deuxième phase par la deuxième sortie de chaque canal longitudinal.

De préférence, le mélange de la première phase avec la deuxième phase est réalisé en amont de la portion aval.

Par ailleurs, l’invention concerne un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel en tant que deuxième fluide par échange de chaleur avec au moins un courant réfrigérant diphasique en tant que premier fluide, ledit procédé mettant en oeuvre un procédé de mélange selon l’invention et comprenant les étapes suivantes : a) introduction du courant d’hydrocarbures dans un deuxième ensemble de passages d’un échangeur de chaleur, b) introduction d’un courant réfrigérant dans un troisième ensemble de passages de l’échangeur de chaleur, c) sortie du courant réfrigérant de l’échangeur de chaleur et détente du courant réfrigérant à au moins un niveau de pression de façon à produire au moins un courant réfrigérant diphasique, d) séparation d’au moins une partie du courant réfrigérant diphasique issu de l’étape c) en une deuxième phase et une première phase, e) agencement d’un dispositif mélangeur dans au moins un passage d’un premier ensemble de passages de l’échangeur de chaleur, f) introduction d’au moins une partie de la deuxième phase et d’un moins une partie de la première phase dans le dispositif mélangeur de façon à obtenir un premier fluide formé d’un mélange de la première phase et de la deuxième phase à la sortie du dispositif mélangeur, g) vaporisation d’au moins une partie du premier fluide issu de l’étape f) dans le passage par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures refroidi et/ou au moins partiellement liquéfié en sortie de l’échangeur.

L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques. La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures ci-annexés, parmi lesquelles :

Fig. 1 schématise une installation d’échange de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 2 est vue schématique tridimensionnelle d’un dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 3 est vue schématique en coupe transversale dans un plan perpendiculaire aux plaques de l’échangeur, d’un premier dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 4 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 5 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 6 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 7 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 8 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 9 est vue schématique en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y d’un dispositif mélangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 10 représente une configuration de dispositif mélangeur et d’échangeur selon l’invention utilisée pour réaliser des simulations d’écoulement de fluide.

Fig.11 représente les résultats de simulations d’écoulement de fluide avec un dispositif mélangeur configuré selon l’art antérieur et avec un dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 12 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un mode de réalisation de l’invention.

Fig. 13 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Fig. 1 est une vue en coupe d’un échangeur de chaleur 1 comprenant un dispositif mélangeur 3 selon l’invention. L’échangeur 1 est de préférence du type à plaques et ailettes brasés. Il comprend un empilement de plaques 2 (non visibles) qui s’étendent suivant deux dimensions, parallèlement à un plan défini par une direction longitudinale z et une direction latérale y. Les plaques 2 sont disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec un espacement entre chaque plaque et forment ainsi une superposition de passages pour l’écoulement de fluides en relation d’échange de chaleur indirect via lesdites plaques.

De préférence, chaque passage a une forme parallélépipédique et plate. L’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur, mesurée suivant la direction longitudinale z, et la largeur, mesurée suivant la direction latérale y, de chaque passage.

L’échangeur 1 peut comprendre un nombre de plaques supérieur à 20, voire supérieur à 100, définissant entre elles un premier ensemble de passage 10 (un seul passage est visible sur Fig. 1 ) pour canaliser au moins un premier fluide F1 , et un deuxième ensemble de passages 20 (non visibles sur Fig. 1 ) pour canaliser au moins un deuxième fluide F2, l’écoulement desdits fluides ayant lieu globalement suivant la direction z. Les passages 10 peuvent être agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages 20. L’échangeur 1 peut comprendre un troisième ensemble de passages, voire plus, pour l’écoulement d’un ou plusieurs fluides supplémentaires. Ces ensembles de passages sont superposés les uns aux autres formant un empilement de passages.

L’étanchéité des passages 10, 20 le long des bords des plaques 2 est généralement assurée par des bandes d’étanchéité latérales et longitudinales 4 fixées sur les plaques 2. Les bandes d’étanchéité latérales 4 n’obturent pas complètement les passages 10, 20 mais laissent avantageusement des ouvertures d’entrée et de sortie de fluide situées dans les coins diagonalement opposés des passages.

Les ouvertures des passages 10 du premier ensemble sont disposées en coïncidence les unes au-dessus des autres dans la direction d’empilement x des passages, qui est perpendiculaire aux directions y et z, tandis que les ouvertures des passages 20 du deuxième ensemble sont disposées dans les autres coins de l’échangeur localisés sur Fig. 1 par les flèches F2, avec l’entrée et la sortie pour le deuxième fluide F2 localisées respectivement en haut à gauche et en bas à droite. Les ouvertures placées l’une au-dessus de l’autre sont réunies respectivement dans des collecteurs de forme semi-tubulaire 40, 45, 52, 55, par lesquels s’effectuent la distribution et l’évacuation des fluides dans et depuis les passages 10, 20.

Notons que des configurations d’introduction et de sortie des fluides autres que celle selon Fig. 1 peuvent être utilisées. Les ouvertures des passages peuvent ainsi être disposées à d’autres positions dans la largeur de l’échangeur, en particulier au centre de la largeur de l’échangeur, et/ou à d’autre positions dans la longueur de l’échangeur.

Dans la représentation de Fig. 1, les collecteurs semi-tubulaires 52 et 45 servent à l’introduction des fluides dans l’échangeur 1 et les collecteurs semi- tubulaires 40, 55 servent à l’évacuation de ces fluides hors de l’échangeur 1.

Dans cette variante de réalisation, le collecteur d’alimentation d’un des fluides et le collecteur d’évacuation de l’autre fluide sont situés à une même extrémité de l’échangeur, les fluides F1, F2 circulant ainsi à contre-courant dans l’échangeur 1.

Selon une autre variante de réalisation, les premier et deuxième fluides peuvent également circuler à co-courant, les moyens d’alimentation d’un des fluides et les moyens d’évacuation de l’autre fluide étant alors situés à des extrémités opposées de l’échangeur 1.

De préférence, la direction z est orientée verticalement lorsque l’échangeur 1 est en fonctionnement. Le premier fluide F1 s’écoule globalement verticalement et dans le sens ascendant. D’autres directions et sens d’écoulement des fluides F1, F2 sont bien entendu envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention.

A noter que dans le cadre de l’invention, un ou plusieurs deuxièmes fluides F2 de natures différentes peuvent s’écouler au sein des passages 20 du deuxième ensemble.

De préférence, le premier fluide F1 est un fluide frigorigène et le deuxième fluide F2 est un fluide calorigène.

L’échangeur comprend avantageusement des ondes de distribution 51 , 54, agencées entre deux plaques 2 successives sous forme de tôles ondulées, qui s’étendent à partir des ouvertures d’entrée et de sortie. Les ondes de distribution 51 , 54 assurent la répartition uniforme et la récupération des fluides sur toute la largeur des passages 10, 20.

En outre, les passages 10, 20 comprennent avantageusement des structures d’échange thermique disposées entre les plaques 2. Ces structures ont pour fonction d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur et d’augmenter les coefficients d’échange entre les fluides en rendant les écoulements plus turbulents. En effet, les structures d’échange thermique sont en contact avec les fluides circulant dans les passages et transferrent des flux thermiques par conduction jusqu’aux plaques 2 adajcentes, auxquelles elles peuvent être fixées par brasage, ce qui augmente la résistance mécanique de l’échangeur.

Les structures d’échange thermique ont aussi une fonction d’entretoises entre les plaques 2, notamment lors de l’assemblage par brasage de l’échangeur et pour éviter toute déformation des plaques lors de la mise en oeuvre des fluides sous pression. Elles assurent également le guidage des écoulements de fluide dans les passages de l’échangeur.

De préférence, ces structures comprennent des ondes d’échange thermique 11 qui s’étendent avantageusement suivant la largeur et la longueur des passages 10, 20, parallèlement aux plaques 2, dans le prolongement des ondes de distribution selon la longueur des passages. Les passages 10, 20 de l’échangeur présentent ainsi une partie principale de leur longueur constituant la partie d’échange thermique proprement dite, qui est garnie d’une structure d’échange thermique, ladite partie principale étant bordée par des parties de distribution garnies des ondes de distribution 51, 54.

Fig. 1 montre un passage 10 du premier ensemble configuré pour l’écoulement d’un premier fluide F1 se présentant sous la forme d’un mélange de deux phases, encore appelé mélange diphasique. Le premier ensemble comprend plusieurs passages 10 de ce type superposés les uns aux autres. Le premier fluide F1 est séparé dans un dispositif séparateur 6 en une première phase 61 et une deuxième phase 62 introduites séparément dans l’échangeur 1 par l’intermédiaire d’un premier collecteur 30 et d’un deuxième collecteur 52 distincts. Le séparateur 6 forme alors une source de première phase et de deuxième phase. Par « source » de fluide, on entend tout moyen adapté à alimenter les canaux du dispositif mélangeur en un fluide. De préférence, la première phase 61 est liquide et la deuxième phase 62 est gazeuse. Dans le cas où le canal longitudinal est configuré pour un écoulement vertical et dans le sens ascendant de la première phase et du mélange diphasique à la deuxième sortie, la gravité a un impact moindre sur l’écoulement de la phase gazeuse par rapport à celui de la phase liquide. L’entraînement de la phase liquide dans l’orifice 34 est facilité par la vitesse plus importante de la phase gazeuse. En outre, la présence de la phase gazeuse facilite l’écoulement de la phase liquide une fois ladite phase liquide introduite dans le canal longitudinal par l’orifice 34.

Les phases 61, 62 sont ensuite mélangées l’une avec l’autre au moyen d’un dispositif mélangeur 3 agencé dans au moins un passage 10. Avantageusement, plusieurs passages 10, voire la totalité des passages 10 du premier ensemble comportent un dispositif mélangeur 3. Les collecteurs semi-tubulaires 52 et 55 sont reliées fluidiquement aux entrées et sorties des passages 10. Le premier collecteur 30 est relié fluidiquement à au moins une première entrée 311 du dispositif mélangeur 3. Le deuxième collecteur 52 est relié fluidiquement à au moins une deuxième entrée 321 du dispositif mélangeur 3. Les premier et deuxième collecteurs peuvent être tout moyen collecteur adapté pour collecter un fluide à partir d’une source de fluide et introduire ledit fluide dans un ou plusieurs passages d’un échangeur de chaleur.

Notons que Fig. 1 illustre un dispositif mélangeur 3 positionné à une certaine distance de la zone de distribution 51 de l’échangeur 1. Selon une variante de réalisation, le dispositif mélangeur 3 peut être positionné directement après la zone de distribution, soit juxtaposé à ladite zone, soit en étant formé d’un seul tenant avec la zone de distribution. Selon cette dernière possibilité, le dispositif mélangeur forme une pièce monolithique, qui peut être fabriqué par usinage conventionnel ou par fabrication additive, i. e. par impression 3D, par exemple par frittage laser

Fig. 2 est une vue tridimensionnelle d’un dispositif mélangeur 3 se composant avantageusement d’une barre, ou baguette, logée dans un passage 10.

Le dispositif mélangeur 3 s’étend de préférence dans la section du passage 10 sur la quasi-totalité, voire la totalité, de la hauteur du passage 10, de sorte que le dispositif mélangeur est en contact avec chaque plaque 2 formant le passage 10.

Le dispositif mélangeur 3 est avantageusement fixé aux plaques 2 par brasage. Le dispositif mélangeur 3 est avantageusement de forme générale parallélépipédique.

De préférence, le dispositif mélangeur 3 est une pièce monolithique, i. e. formée d’un bloc ou d’un seul tenant. Le dispositif mélangeur 3 peut être fabriqué par usinage conventionnel ou par fabrication additive. Le dispositif mélangeur 3 peut présenter, parallèlement à la direction longitudinale z, une première dimension comprise entre 20 et 200 mm et, parallèlement à la direction latérale y, une deuxième dimension comprise entre 100 et 1400 mm.

Le dispositif mélangeur 3 comprend au moins un canal latéral 31 configuré pour l’écoulement de la première phase 61 du premier fluide F1 à partir d’au moins une première entrée 311. De préférence, le canal latéral 31 s’étend parallèlement à la direction latérale y.

Il comprend en outre une série de canaux longitudinaux 32 s’étendant parallèlement à la direction longitudinale z et configurés pour l’écoulement de la deuxième phase 62 du premier fluide F1 à partir d’une deuxième entrée 321 jusqu’à une deuxième sortie 322, lesdits canaux longitudinaux 32 étant agencés à des positions successives y,, yi+i,... suivant la direction latérale y.

De préférence, le canal latéral 31 s’étend sur toute la deuxième dimension et/ou le canal longitudinal 32 s’étend sur toute la première dimension.

De préférence, le dispositif mélangeur 3 comprend au moins une première entrée 311 en communication fluidique avec le premier collecteur 30 et une deuxième entrée 321 , séparée, i. e. distincte, de la première entrée 311 , en communication fluidique avec le deuxième collecteur 52. Le premier collecteur 30 est relié fluidiquement à une source de première phase 61 et le deuxième collecteur 52 est relié fluidiquement à une autre source de deuxième phase 62. Ladite au moins une première entrée 311 et ladite au moins une deuxième entrée 321 sont mises en communication fluidique via au moins un orifice 34. En fait, le dispositif mélangeur est configuré pour une introduction séparée de la première phase et de la deuxième phase, la première entrée 311 étant adaptée pour une alimentation en la première phase 61 du canal latéral 31 et ladite au moins une deuxième entrée 321 étant adaptée pour alimenter les canaux longitudinaux 32 en la deuxième phase 62.

Les première et deuxième entrées sont avantageusement formées en faisant déboucher les canaux latéraux et longitudinaux au niveau des bords périphériques latéraux et longitudinaux du dispositif 3. Fig. 2 montre une introduction de la première phase 61 par une extrémité du dispositif 3 comprenant plusieurs premières entrées 311. Selon une réalisation avantageuse, le dispositif mélangeur 3 comprend au moins une autre première entrée pour la première phase 61 situées à une extrémité opposée du dispositif 3. Avantageusement, ces autres entrées sont obtenues en prolongeant les canaux latéraux 31 jusqu’à ce qu’ils débouchent au niveau d’un bord latéral opposé de l’échangeur 1. Dans ce cas, un autre premier collecteur 30 est agencé sur un côté opposé de l’échangeur 1. L’introduction de la première phase 61 de part et d’autre du dispositif mélangeur permet de réduire l’effet des pertes de charge lors de l’écoulement de la première phase dans les canaux latéraux, ce qui favorise une répartition plus homogène du mélange diphasique sur la largeur de l’échangeur.

De préférence, le dispositif mélangeur 3 comprend un volume mélangeur situé dans le canal longitudinal 32, en aval de l’orifice 34 en suivant le sens d’écoulement de la première phase 61 dans l’orifice 34.

Le canal latéral 31 est relié fluidiquement à au moins un canal longitudinal 32 de sorte que, lorsque la première phase 61 s’écoule dans le canal latéral 31 et la deuxième phase 62 s’écoule dans le canal longitudinal 32, le dispositif mélangeur 3 distribue par une deuxième sortie 322 du canal 32 un mélange de la première phase 61 et de la deuxième phase 62, de préférence un mélange à deux phases liquide/gaz F 1 , également appelé mélange diphasique. De préférence, le canal longitudinal et/ou le canal latéral ont des formes globalement rectilignes.

Les canaux 31, 32 se présentent avantageusement sous la forme d’évidements longitudinaux ménagés dans le dispositif mélangeur 3. Ils sont de préférence débouchants au niveau des surfaces supérieure 3a et inférieure 3b du dispositif mélangeur 3.

De préférence, les canaux 31 , 32 ont une section transversale de forme carrée ou rectangulaire mais peuvent éventuellement présenter d’autres forme (rond, portion de rond,...).

Les orifices 34 sont avantageusement des perçages 34 pratiqués dans la matière du dispositif 3 et s’étendant entre le premier canal 31 et le deuxième canal 32, de préférence dans le plan formé par les directions x et y, les orifices 34 pouvant être inclinés par rapport à la direction x ou, de préférence, être alignés avec la direction verticale x. De préférence, les orifices 34 sont à symétrie cylindrique, de préférence encore de forme cylindrique. De préférence, ledit au moins un canal latéral 31 comprend une paroi de fond 3c et ledit au moins un canal longitudinal 32 comprend une paroi de sommet 3d qui s’étend en regard de la paroi de fond 3c, les orifices 34 étant percés dans la paroi de fond du premier canal 31 et débouchant dans la paroi de sommet du canal longitudinal 32.

Fig. 3 est une vue du dispositif mélangeur 3 de Fig. 2 dans un plan de coupe orthogonal à la direction latérale y et passant par un orifice 34.

Selon l’art antérieur, on agence dans les passages 10 du premier ensemble des dispositifs mélangeurs 3 ayant des canaux longitudinaux dont la largeur, mesurée suivant la direction latérale y, reste constante le long de la direction longitudinale z, en particulier des canaux longitudinaux de forme parallélépipédique telle que la forme des canaux latéraux 31 visibles sur Fig. 2.

En sortie de chaque canal longitudinal 32, l’écoulement du mélange à deux phases du premier fluide F1 a lieu préférentiellement suivant la direction longitudinale z, avec une expansion progressive de l’écoulement dans la largeur du passage 10. L’homogénéisation des écoulements dans chaque passage n’est obtenue qu’au-delà d’une certaine distance parcourue par le mélange. Ce défaut d’homogénéisation du mélange F1 a lieu dans tout l’empilement de passages 10 du premier ensemble.

Afin de résoudre ces problèmes, la présente invention propose d’agencer dans un passage 10 du premier ensemble, un dispositif mélangeur 3 dont au moins un canal longitudinal 32 est divisé, suivant la direction longitudinale z, en une portion amont 323 et une portion aval 324 ayant chacune une longueur L3, L4 mesurée dans la direction longitudinale z et une largeur D3, D _y mesurée parallèlement à la direction latérale y, la portion aval 324 étant agencée entre la portion amont 323 et la deuxième sortie 322. Selon l’invention, la portion aval 324 présente, en tout point de sa longueur L4, une largeur D _y supérieure (strictement) à la largeur D3 de la portion amont 323.

Notons que le terme « largeur » s’entend de la distance mesurée entre les bords délimitant le canal longitudinal 32 dans un plan de coupe longitudinale prédéterminé qui est parallèle à la direction longitudinale z et parallèle à la direction latérale y, c’est-à-dire la largeur du profil externe du canal dans ledit plan de coupe, comme montré par exemple sur Fig. 4 à Fig. 9.

L’agencement d’une portion aval présentant un élargissement dans la direction latérale y favorise l’expansion latérale du mélange diphasique sortant du canal longitudinal 32. Les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que le jet de fluide formait un cône de base plus large en sortie de canal longitudinal, ce qui permettait au fluide sortant du canal longitudinal 32 d’irriguer un plus grand nombre de canaux d’échange d’une onde d’échange positionnée, en fonctionnement, en aval du dispositif mélangeur 3. On peut ainsi obtenir une homogénéisation plus rapide avec les jets de fluide sortant des canaux longitudinaux voisins.

Les disparités de débit de mélange dans la largeur du passage 10 se trouvent ainsi réduites, voire éliminées, après une distance de propagation plus courte du mélange en aval du dispositif mélangeur 3. Les échanges thermiques entre le mélange diphasique et le deuxième fluide F2, et de là le fonctionnement de l’échangeur, sont améliorés.

En outre, l’élargissement de la portion aval dans la direction latérale y offre la possibilité, dans les cas où le débit massique de mélange diphasique dans le canal longitudinal 32 est relativement élevé, d’induire un ralentissement de l’écoulement du mélange au niveau de la portion aval, et ainsi de réduire les pertes de charge subies par le mélange diphasique en sortie du canal longitudinal 32, lorsqu’il irrigue les ondes d’échange situées en aval du dispositif mélangeur 3.

De préférence, plusieurs canaux de la série de canaux longitudinaux 32, de préférence encore la totalité, sont configurés selon l’invention et peuvent comprendre tout ou partie des caractéristiques décrites ci-après.

De préférence, la portion aval 324 débouche au niveau d’une face aval 326 du dispositif mélangeur 3, la deuxième sortie 322 étant aménagée au niveau de la face aval 326. Au moins une partie de la première phase 61 s’écoulant dans le canal latéral 31 alimente l’orifice 34 pour s’écouler dans le canal longitudinal où s’opère le mélange. La deuxième phase 62 s’écoule successivement dans les portions amont 323 et aval 324. Le mélange est distribué par la deuxième sortie 322.

De préférence, la portion aval 324 présente une largeur D _y croissante suivant la longueur L4 en direction de la deuxième sortie 322, de préférence croissante sur toute la longueur L4.

Notons que l’élargissement de la portion aval suivant la direction longitudinale z peut être induit de façon ponctuelle, en une ou plusieurs fois, ou bien de façon progressive, i. e. être croissante continue, le long de tout ou partie de la portion aval 324.

De préférence, la largeur D _y de la portion aval 324 augmente de façon continue, i. e progressivement, sur toute la longueur L4 en direction de la deuxième sortie 322. On limite ainsi les pertubations que pourraient occasionner des variations brusques de largeur de canal dans l’écoulement du mélange.

De préférence, la portion aval 324 présente une largeur minimale D _m et une largeur maximale DM avec le rapport DM / D _m supérieur ou égal à 1 ,1 , de préférence supérieur ou égal à 1 ,8 et/ou inférieur ou égal à 4. Un tel rapport dimensionnel permet d’augmenter suffisamment la largeur du canal longitudinal 32 au niveau de l’extrémité 322 sans toutefois augmenter de façon excessive la longueur du canal longitudinal 32 selon la direction z et en conservant une simplicité d’usinage du canal longitudinal 32.

En particulier, la largeur DM peut être comprise entre 6 et 25 mm, de préférence entre 8 et 20 mm.

Notons par ailleurs qu’un dispositif mélangeur selon l’invention peut être destiné à être agencé dans un passage 10 pourvu, en aval du dispositif mélangeur, d’au moins une onde d’échange comprenant des canaux d’échange ayant chacun une largeur comprise entre 0,6 et 2 mm, de préférence une largeur d’au moins 0,7 mm et/ou d’au plus 1 ,5 mm.

De préférence, la largeur minimale D _m est mesurée au niveau de l’extrémité 324a de la portion aval 324 et la largeur maximale DM est mesurée au niveau de la deuxième sortie 322.

Avantageusement, le canal longitudinal 32 est délimité par des parois latérales 325 formant, dans un plan de coupe longitudinale qui est parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y, un profil externe dudit canal 32 d’axe de symétrie AA’ parallèle à la direction longitudinale z.

Notons que les parois latérales 325 du canal sont de préférence érigées dans une direction qui est orthogonale aux directions longitudinale z et latérale y. Les parois 325 présentent avantageusement une hauteur, mesurée suivant la direction x, constante sur toute la longeur du canal 32.

De façon alternative, on pourra envisager une variation de la hauteur des parois 325, en particulier une augmentation de ladite hauteur en direction de la deuxième sortie 322, c’est-à-dire une portion aval 324 dont la profondeur augmente en direction de la deuxième sortie 322, jusqu’à éventuellement atteindre la hauteur du passage 10 au niveau de la deuxième sortie 322. Cela fournit un degré de liberté supplémentaire pour augmenter la section de passage de fluide de la portion aval 324 et ainsi ralentir le fluide afin de l’homogénéiser également dans la hauteur du passage 1 0.

Avantageusement, au moins une partie de la portion aval 324 présente un profil externe curviligne, de préférence un profil externe de forme convexe. Fig. 4 schématise un exemple de réalisation d’un canal longitudinal 32 comprenant une telle portion aval 324. La présence d’un profil externe curviligne au niveau de la portion aval assure un meilleur guidage de l’écoulement du fluide dans la portion aval jusqu’à sa sortie du dispositif mélangeur, en particulier on évite d’éventuels phénomènes de décollement, recirculation de fluide ou turbulence qui pourraient résulter d’arêtes vives sur les parois et occasionneraient des pertes de charges additionnelles non souhaitables sur le fluide.

Il est aussi possible que tout ou partie de la portion aval 324 présente, en coupe longitudinale dans un plan parallèle à la direction longitudinale z et à la direction latérale y, un profil externe en forme de trapèze isocèle, les parois latérales au niveau de cette portion étant des parois rectilignes. Fig. 5 schématise un exemple dans lequel la totalité de la portion aval 324 présente un tel profil externe.

En particulier, en considérant une face aval 326 du dispositif mélangeur 3 au niveau de laquelle la portion aval 324 débouche, le profil externe peut former un angle Q, mesuré entre la tangente T audit profil externe au point d’intersection avec la face aval 326 et l’axe de symétrie AA’, compris entre 5 et 85°. Ces valeurs permettent d’augmenter suffisamment la largeur du canal 32 au niveau de la deuxième sortie 322 pour favoriser une meilleure répartition du fluide diphasique F1 dans la largeur de l’échangeur selon la direction y, sans toutefois_créer un élargissement trop rapide qui pourrait occasionner des pertes de charge du fluide F1 et sans augmenter de façon excessive la longueur L4 et donc la longueur du dispositif mélangeur 3.

Fig. 9 représente un mode de réalisation dans lequel l’élargissement de la portion aval suivant la direction longitudinale z est induit de façon ponctuelle, en une fois, au niveau de l’extrémité 324a.

De préférence, la portion amont 323 est raccordée à la portion aval 324 par son extrémité 324a.

Avantageusement, la portion amont 323 présente une longueur L3 mesurée suivant la direction longitudinale z avec le rapport L3 / L4 compris entre 1 et 15, de préférence entre 3 et 12. A titre d’exemple, la longueur l_4 peut être comprise entre 5 et 40 mm. La longueur L3 peut être comprise entre 30 et 70 mm.

Avantageusement, ledit au moins un orifice 34 débouche dans le canal longitudinal 32 au niveau de sa portion amont 323, de préférence, à une distance L _z de l’extrémité 324a de la portion aval 324 avec L _z au moins égale à 4 %, de préférence encore comprise entre 7 et 90 %, et encore plus préférentiellement allant de 10 à 50 %, de la longueur L3 de la portion amont (323). En particulier, l’orifice 34 peut déboucher à une distance L _z comprise entre 3 et 70 mm de l’extrémité 324a de la portion aval 324. Avantageusement, le ou les orifices 34 d’un canal longitudinal 32 débouchent tous au niveau de sa portion amont 323. Le dispositif mélangeur est avantageusement exempt d’orifice 34 débouchant au niveau de sa portion amont 324.

On assure ainsi le mélange de la première phase 61 et de la deuxième phase 62 suffisamment en amont de la portion aval 324 pour que, d’une part, le fluide diphasique ait le temps de bien s’homogénéiser avant d’entrer dans la portion aval 324 et, d’autre part, pour que d’éventuelles zones de recirculation du fluide dans la portion aval 324 ne viennent pas perturber le flux de la première phase 61 via l’orifice 34 du canal latéral 31 au canal longitudinal 32, ce qui pourrait induire de la maldistribution. La vitesse plus élevée de la deuxième phase 62 dans la portion 323 du canal 32 par rapport à la vitesse du fluide F1 dans la portion 324 permet également de faciliter le passage de la phase 61 du canal 31 au canal 32 via l’orifice 34 du fait de l’inertie élevée de la phase 61 par la phase 62 et de l’entraînement qui en résulte.

Notons que, de préférence, la position du au moins un orifice 34 suivant la direction longitudinale z varie entre les canaux longitudinaux. C’est notamment pour cette raison que certains orifices 34 peuvent être plus proches de l’extrémité 324a que d’autres.

Par ailleurs, notons que dans le cadre de l’invention, les canaux longitudinaux présentent avantageusement des caractéristiques dimensionelles identiques, i. e. un même profil externe, une même profondeur, un même rapport L3 / L ₄ , une même distance L _z , bien qu’il soit possible dans certaines configurations, de faire varier au moins une caractéristique d’au moins un canal par rapport aux autres, notamment le rapport de longueurs des portions aval et amont.

De préférence, et comme illustré par exemple sur Fig. 4 notamment, tout ou partie de la portion amont 323 présente un profil externe rectiligne avec une largeur Ü ₃ constante, de préférence égale à la largeur minimale D _m de la portion aval 324. Selon une possiblité, il peut être envisagé que la portion amont 323 présente une largeur D ₃ variable sur tout ou partie de sa longueur, D _y étant supérieure à la valeur maximale pouvant être atteinte par D3.

Fig. 6 et Fig. 7 schématisent des modes de réalisation selon lesquels le canal longitudinal 32 comprend au moins un obstacle 327 agencé de manière à subdiviser la portion aval 324 en plusieurs canaux intermédiaires 328 débouchant au niveau de la deuxième sortie 322.

Cela empêche le mélange de s’écouler totalement suivant la direction longitudinale z et force l’écoulement à s’élargir dans la direction latérale y. La création de canaux intermédiaires est particulièrement avantageuse lorsque le débit massique dans le canal longitudinal 32 est relativement élevé car dans ce cas, le mélange présente une inertie importante suivant la direction longitudinale z, c’est-à- dire qu’il a tendance à continuer à s’écouler suivant la direction z, même lorsque le canal longitudinal s’élargit.

La mise en place d’un ou plusieurs obstacles permet de modifier la direction d’écoulement du mélange diphasique en donnant une composante suivant la direction y à sa vitesse. On augmente ainsi l’ouverture angulaire du jet de fluide en sortie de canal longitudinal, ce qui permet d’alimenter un plus grand nombre de canaux d’échange positionnés an aval du dispositif mélangeur.

On peut également se servir des obstacles afin de garder constante ou quasi- constante, éventuellement réduire, la section de passage de fluide au niveau de la portion aval, et ce malgré son élargissement. A noter que par « section de passage de fluide » on entend la surface à travers laquelle le fluide s’écoule mesurée perpendiculairement à la direction longitudinale z. Ceci de façon à assurer une expansion latérale du mélange, sans pour autant augmenter la section de passage de fluide.

On rééquilibre ainsi les pertes de charges le long du canal longitudinal.

De préférence, au niveau de la deuxième sortie 322, la surface totale dudit obstacle 327 mesurée dans un plan de coupe transversale perpendiculaire à la direction longitudinale z, représente entre 20 et 80%, de préférence entre 30 et 70%, de la section totale de passage de fluide de la portion aval (324) mesurée dans ledit plan de coupe transversale. Dans le cas de plusieurs obstacles, on entend la surface totale comme la somme des surfaces de chaque obstacle.

On pourra notamment prévoir que la surface de l’obstacle, mesurée à une distance de 1 mm suivant la direction longitudinale z, dans le sens de l’écoulement du fluide, après le point d’apparition dans le canal 32, c’est-à-dire à une position dite d’impact située à 1 mm après le point d’apparition de l’obstacle où le fluide impacte sur l’obstacle, représente entre 1% et 80% de la section de passage de fluide du canal 32 déterminé dans un plan de coupe transversale positionné à la position d’impact.

Selon un mode de réalisation particulier, le canal longitudinal 32 comprend en outre au moins un canal d’équilibrage 329 mettant en communication fluidique les canaux intermédiaires 328. Cela permet de rééquilibrer les pressions de fluide antre les canaux intermédiaires 328, dans le cas où il existe des disparités de débit et pression de fluide entre les canaux intermédiaires. Fig. 8 représente un exemple d’une telle configuration.

Avantageusement, on prévoit un nombre pair de canaux intermédiaires afin de conserver une symétrie de distribution selon l’axe AA’ du mélange au sein du canal longitudinal.

Le ou les obstacles pourront être fabriqués avec le canal longitudinal par fraisage, par moulage par injection d'un métal, par électro-érosion ou par usinage laser. On pourra également envisager une méthode fabrication additive.

De préférence, les obstacles 327 présentent une hauteur égale à celles des parois latérales du canal longitudinal.

De préférence, ledit au moins un obstacle 327 présente une largeur dy, mesurée suivant la direction latérale y, croissante en direction de la deuxième sortie 322, avec de préférence un profil externe curviligne, convexe et/ou concave. Cela permet de conformer l’obstacle de manière à éviter des pertes de charge additionnelles du fluide F1 dans la portion aval 324 du canal 32 par décollement du fluide au niveau des parois de l’obstacle ou du fait de zones de recirculation du fluide.

De préférence, plusieurs passages 10 du premier ensemble, avantageusement la totalité des passages 10, comprennent un dispositif mélangeur selon l’invention.

De préférence, au moins un passage 20 du deuxième ensemble est agencé entre au moins une paire de passage 10 consécutifs du premier ensemble. De préférence, les canaux longitudinaux 32 du dispositif mélangeur 3 sont séparés les uns des autres d’une distance D _A constante mesurée parallèlement à la direction longitudinale y.

Notons que les positions y,, y. _+i , yi+2... de chaque canal suivant la direction latérale y peuvent être déterminées en considérant la position du centre de chaque canal suivant la direction latérale y. Par exemple, en considérant des canaux sous forme de rainures parallélépipédiques telles que représentées sur Fig. 2, la position d’un canal suivant la direction y correspond à la position de l’axe de symétrie du canal situé à égale distance des parois latérales du canal, comme on le voit sur Fig. 2.

La distance D _A peut être comprise entre 10 et 40 mm, de préférence supérieure ou égale à 20 mm et inférieure ou égale à 30 mm.

Afin d’illustrer l’effet d’homogénéisation obtenu avec l’invention, Fig. 11 montre les résultats d’une simulation de la propagation d’un mélange à deux phases dans un canal longitudinal d’un dispositif mélangeur classique (configuration A) et dans un canal longitudinal d’un dispositif mélangeur selon un mode de réalisation de l’invention (configuration B).

Dans la configuration A, le dispositif mélangeur était sous la forme d’une barre rainurée comportant, en tant que canaux longitudinaux, une série de rainures de forme parallélépipédique se succédant à intervalles réguliers de 30 mm. Chaque rainure mesurait 7 mm en largeur, 70 mm en longueur et 7 mm en hauteur.

Dans la configuration B, schématisée partiellement en Fig. 10, les dispositifs mélangeurs étaient sous la forme de barres rainurées avec des rainures se succédant à intervalles réguliers de 30 mm. Chaque rainure était sous la forme d’un canal longitudinal avec une portion amont 323 ayant pour dimensions 7 mm de largeur, 63 mm de longueur et 7 mm de hauteur. La portion aval 324 était de forme tronconique de largeur 7 mm au niveau de l’extrémité 324a et 14 mm au niveau de la deuxième sortie 322. La portion amont 323 avait une longueur de 7 mm et une hauteur de 7 mm. Un obstacle de forme triangle isocèle était placé dans la portion aval 324, de façon symétrique par rapport à l’axe de symétrie AA’, de hauteur 7 mm selon la direction z et de largeur de la base 7 mm au niveau de la deuxième sortie 322. La largeur DM était deux fois plus élevée que D3. Le rapport L3 / L4 était de 8 et la longueur L _z était de 5 mm. L’angle Q était de 45°. A noter que la configuration B correspond au cas particulier selon lequel la section de passage de fluide de la portion aval est maintenue constante suivant la direction longitudinale z du fait de la présence de l’obstacle bien que la largeur de ladite portion augmente en direction de la deuxième sortie 322.

Les canaux longitudinaux des dispositifs mélangeurs des configurations A et B étaient agencés en même nombre et à des positions identiques y,, yi+i,... suivant la direction latérale y.

Dans les configurations A et B, des ondes 11 de type « serrated », i. e. à décalage partiel, étaient agencées en sortie des dispositifs mélangeurs dans chaque passage. Ces ondes étaient du type « 1/8 ” serrated » (1”=1 pouce= 25,4 mm), c’est- à-dire avec une longueur de serration de 25,4/8=3,18 mm et présentaient des ondulations avec une densité de 23 ailettes par pouce (1 pouce=25,4 millimètres), mesurée suivant la direction latérale y.

La simulation est un calcul de type CFD en trois dimensions par méthode des éléments finis, qui est l’acronyme en lanque anglaise de « Computational Fuid Dynamics », pour « mécanique des fluides numérique ».

Fig. 11 montre l’évolution de la valeur de la plus petite vitesse adimensionnée du fluide suivant la direction longitudinale z (notée V _z ) mesurée sur des coupes successives des ondes situées après la sortie 322 dans des plans parallèles aux directions x et y, pour plusieurs valeurs de distances entre la sortie 322 et lesdits plans. Ces valeurs de vitesse sont représentatives de la qualité de la distribution du fluide dans les ondes : une valeur négative indique la présence d’une zone de recirculation, avec du fluide stagnant au centre de la zone. Une valeur nulle indique la présence de fluide stagnant. Le fluide stagnant n’étant pas renouvelé, il ne participe pas à l’échange thermique et réduit l’efficacité globale de l’échangeur.

Un indicateur de performance de la distribution de fluide est la distance minimale nécessaire suivant la direction longitudinale z à partir de laquelle tout le fluide a une vitesse positive selon la direction longitudinale z.

On constate que la distance minimale nécessaire est réduite 45 à 31 mm, soit une réduction de 35% dans la configuration B selon l’invention par rapport à la configuration classique A. Grâce à l’invention, on améliore donc significativement l’homogénéisation du mélange à deux phases distribué par un dispositif mélangeur et on améliore l’efficacité de l’échangeur.

Fig. 12 et Fig. 13 montrent des exemples de procédés mettant en oeuvre un ou plusieurs échangeurs selon l’invention. Fig. 12 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures 102 en tant que deuxième fluide F2, pouvant être du gaz naturel, éventuellement pré traité, par exemple ayant subi une séparation d’au moins un des constituants suivants : eau, dioxyde de carbone, composés soufrés, méthanol, mercure, avant son introduction dans l’échangeur de chaleur 1 .

De préférence, le courant d’hydrocarbures comprend, en fraction molaire, au moins 60% de méthane, de préférence au moins 80%.

Le courant d’hydrocarbures 102 et le courant réfrigérant 202 entrent dans l'échangeur 1 respectivement par une troisième entrée 25 et une quatrième entrée 21 pour y circuler dans des passages dédiés de l’échangeur selon des directions parallèles à la direction longitudinale z, qui est sensiblement verticale en fonctionnement. Le courant d’hydrocarbures 102 circule dans les passages 20 du deuxième ensemble alimenté par la troisième entrée 25. Le courant réfrigérant 202 circule dans un troisième ensemble de passages disposés au sein de l’empilement formant l’échangeur 1. Ces courants ressortent par une troisième sortie 22 et une première sortie 23. Les passages du deuxième et du troisième ensemble sont agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages 10 du premier ensemble.

Avantageusement, la quatrième entrée 21 pour le courant réfrigérant 202 et la troisième entrée 25 pour le courant d’hydrocarbures 102 sont agencées de sorte que le courant réfrigérant 202, et éventuellement le courant d’hydrocarbures 102, s’écoulent à co-courant dans le sens descendant, en direction d’une deuxième extrémité 1 b de l’échangeur qui est située à un niveau inférieur à celui d’une première extrémité 1a dudit échangeur. De préférence, la première extrémité 1a correspond au bout chaud de l’échangeur 1 , i. e. le point d’entrée de l’échangeur ou un fluide est introduit à la température la plus élevée des températures de l’échangeur, ce point d’entrée pouvant être la quatrième entrée 21 ou la troisième entrée 25, selon le procédé considéré.

Le courant d’hydrocarbures 102 peut être introduit dans l’échangeur 1 à une température comprise entre -130 et 40 °C.

Selon une possibilité, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit à l’état totalement gazeux ou partiellement liquéfié dans l’échangeur 1 à une température comprise entre -80 et -35 °C. Selon une autre possibilité, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit totalement liquéfié dans l’échangeur 1 à une température comprise entre -130 et -100 °C.

Le courant réfrigérant 201 sortant de l'échangeur 1 est détendu par un organe de détente T3, tel une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne, de façon à former un courant réfrigérant 203 diphasique comprenant une première phase et une deuxième phase . Le courant réfrigérant 203 diphasique forme le premier fluide F1 considéré précédemment. Au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 issu de la détente est introduit dans un organe séparateur 27. L’organe séparateur peut être tout dispositif adapté pour séparer un fluide diphasique en un courant majoritairement gazeux d’une part et un courant majoritairement liquide d’autre part.

La deuxième phase 62 est introduite par le collecteur 52 qui alimente les deuxièmes entrées 321 de dispositifs mélangeurs 3 agencés dans les passages 10 du premier ensemble. La première phase 61 est introduite par le premier collecteur 30 qui alimente les premières entrées 311 de dispositifs mélangeurs 3 agencés dans chaque passage 10 (non illustrés sur Fig. 9).

De préférence, la deuxième phase est introduite par une entrée située dans la région de la deuxième extrémité 1 b correspondant au bout froid de l’échangeur 1 , i. e. le point d’entrée dans l’échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse des températures des fluides dans l’échangeur.

Les deux phases 61 , 62 du courant diphasique 203 sont recombinées au sein de l’échangeur 1 et distribuées à l’état de mélange liquide-gaz dans les passages 10 de l'échangeur 1 munis chacun de dispositifs mélangeurs 3 selon l’invention.

De préférence, le courant réfrigérant diphasique 203 est introduit dans l’échangeur de chaleur 1 à une première température T1 comprise entre -120 et -160 °C et sort de l’échangeur de chaleur 1 à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1 , de préférence avec T2 comprise entre -35 et -130 °C.

Selon une autre possibilité, le courant réfrigérant diphasique 203 est introduit dans l’échangeur de chaleur 1 à une première température T1 comprise entre -130 et -80 °C et sort de l’échangeur de chaleur 1 à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1 , de préférence avec T2 comprise entre -10 et 50 °C.

Ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 s’écoule dans les passages 10 en sens ascendant et est vaporisé en réfrigérant à contre-courant le gaz naturel 102 et le courant réfrigérant 202. On obtient ainsi un courant d’hydrocarbures refroidi et/ou au moins partiellement liquéfié 101 en sortie de l’échangeur 1 .

Le courant réfrigérant vaporisé sort de l'échangeur 1 par une deuxième sortie 42 reliée au collecteur 55 pour être comprimé par un compresseur puis refroidi dans un échangeur de chaleur indirect par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air (en 26 sur Fig. 12). La pression du courant réfrigérant en sortie du compresseur peut être comprise entre 2 MPa et 9 MPa. La température du courant réfrigérant à la sortie de l'échangeur de chaleur indirect peut être comprise entre 10 °C et 45 °C.

Dans le procédé décrit par Fig. 12, le courant réfrigérant n'est pas scindé en fractions séparées, mais, pour optimiser l'approche dans l'échangeur 1 , le courant réfrigérant peut également être séparé en deux ou trois fractions, chaque fraction étant détendue à un niveau de pression différent puis envoyé à différents étages du compresseur.

De préférence, le courant réfrigérant 202 contient des hydrocarbures ayant un nombre d’atomes de carbone d’au plus 5, de préférence au plus trois, de préférence encore au plus deux.

De préférence, le courant réfrigérant 202 est formé par exemple par un mélange d'hydrocarbures et d'azote tels qu'un mélange de méthane, d'éthane et d'azote mais peut également contenir du propane, du butane, de l’isobutane, du n-butane, du pentane, de l’isopentane, du n-pentane et/ou de l’éthylène.

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

- Azote: 0 % à 10 %

- Méthane: 20 % à 70 %

- Ethane: 30 % à 70 %

- Ethylène : 20 à 70 %

- Propane: 0 % à 20 %

- n-butane : 0 % à 30 %

- Isopentane : 0% à 20 %

Eventuellement, le courant réfrigérant peut comprendre, en remplacement de l’éthane, de l’éthylène et, en remplacement de tout ou partie du propane, des composés du type C4, C5. De préférence, le gaz naturel sort au moins partiellement liquéfié 101 de l'échangeur 1 à une température de préférence supérieure d'au moins 10°C par rapport à la température de bulle du gaz naturel liquéfié produit à pression atmosphérique (la température de bulle désigne la température à laquelle les premières bulles de vapeur se forment dans un gaz naturel liquide à une pression donnée) et à une pression identique à la pression d'entrée du gaz naturel, aux pertes de charge près. Par exemple le gaz naturel sort de l’échangeur 1 à une température comprise entre -100 °C et -162 °C et à une pression comprise entre 2 MPa et 7 MPa. Dans ces conditions de température et de pression, et selon sa composition, le gaz naturel ne reste généralement pas liquide après une détente jusqu'à la pression atmosphérique.

Avantageusement, le procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon l’invention peut mettre en œuvre un ou plusieurs cycles de réfrigération supplémentaires réalisés en amont du cycle de réfrigération principal décrit précédemment, de façon à réaliser un pré-refroidissement du courant d’hydrocarbures.

Fig. 13 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel comportant un cycle de réfrigération supplémentaire dans lequel le gaz naturel est refroidi jusqu’à une température proche de son point de rosée à l’aide d’au moins deux niveaux de détente différents pour augmenter l’efficacité du cycle. Ce cycle de réfrigération supplémentaire est opéré au moyen d’un courant réfrigérant supplémentaire 300 dans un échangeur de chaleur supplémentaire 2, dit échangeur de pré-refroidissement, agencé en amont de l’échangeur de chaleur 1 dans le sens de l’écoulement du courant d’hydrocarbures 110, qui forme alors l’échangeur de liquéfaction.

Dans ce mode de réalisation, un courant d’alimentation 110 arrive par exemple à une pression comprise entre 2,5 MPa et 7 MPa et à une température comprise entre 20 °C et 60 °C. Le courant d’alimentation 110 comprenant un mélange d’hydrocarbures tel que le gaz naturel, le courant réfrigérant 202, un courant réfrigérant supplémentaire 300 entrent dans l’échangeur supplémentaire 2 pour y circuler selon des directions parallèles et à co-courant dans le sens descendant.

Un courant d’hydrocarbures 102 refroidi, voire au moins partiellement liquéfié, sort de l'échangeur de pré-refroidissement 2. De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 sort à l’état gazeux ou partiellement liquéfié, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le courant réfrigérant 202 peut aussi sortir totalement condensé de l'échangeur 2, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le courant 102 est ensuite introduit dans l’échangeur 1 .

Comme on le voit sur Fig. 13, le courant 203 est vaporisé dans l'échangeur 1 et en sort pour être comprimé par le compresseur K2 puis refroidi dans l'échangeur de chaleur indirect C2 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le courant réfrigérant issu de l'échangeur C2 est ensuite renvoyé dans l’échangeur supplémentaire 2.

Le courant réfrigérant supplémentaire 300 peut être formé par un mélange d'hydrocarbures tels qu'un mélange d'éthane et de propane, mais peut également contenir du méthane, de l’éthylène, du propylène, du butane et/ou du pentane. Les proportions en fraction molaires (%) des composants du premier mélange réfrigérant peuvent être:

- Ethane: 30 % à 70 %

- Propane: 30 % à 70 %

- Butane: 0 % à 20 %

Dans l’échangeur supplémentaire 2, qui est aussi du type à plaques et ailettes brasées, au moins deux courants partiels issus du courant réfrigérant supplémentaire 300 sont soutirés de l’échangeur en au moins deux points de sortie distincts puis détendus à des niveaux de pression différents, donnant lieu à des courants partiels détendus diphasiques comprenant chacun une première phase et une deuxième phase . Au moins une partie de ces courants partiels diphasiques est introduite dans des organes séparateurs 24, 25, 26 respectifs.

Dans le mode de réalisation selon Fig. 13, trois fractions, également appelées débits ou courants partiels, 301 , 302, 303 du courant réfrigérant supplémentaire 300 en première phase sont successivement soutirées.

Les phases gazeuses et liquides séparées par chaque organe séparateur sont introduites par des entrées distinctes de l’échangeur supplémentaire 2 et recombinées au sein de dispositifs mélangeurs (non illustrés) de façon à former au moins deux fluides frigorigènes introduits à l’état de mélange liquide-gaz dans des passages de fluide frigorigènes dédiés. Alternativement, seule la première phase est injectée dans l’échangeur 2 et la phase gaz est dirigée vers l’entrée des étages de compression du compresseur K1. Ces fluides frigorigènes sont vaporisés dans l’échangeur supplémentaire 2 par échange de chaleur avec le courant d’alimentation 110 et le courant réfrigérant 202 et le courant réfrigérant supplémentaire 300.

Avantageusement, on agence dans l’échangeur supplémentaire 2 au moins deux types de dispositifs mélangeurs 2 tels que ceux qui peuvent être agencés au sein de l’échangeur 1 selon l’invention. Ainsi, l’échangeur supplémentaire comprend au moins deux passages de fluide frigorigène comprenant chacun un dispositif mélangeur, ces dispositifs comprenant l’une ou plusieurs des caractéristiques précédemment décrites pour les premiers et deuxième dispositifs mélangeurs 3A, 3B.

Les fluides frigorigènes vaporisés dans leurs passages de fluide frigorigène respectifs sont envoyés à différents étages du compresseur K1 , comprimés puis condensés dans un condenseur par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le courant issu du condenseur est renvoyé dans l'échangeur supplémentaire 2. La pression du premier courant réfrigérant à la sortie du compresseur K1 peut être comprise entre 2 MPa et 6 MPa. La température du courant réfrigérant supplémentaire à la sortie du condenseur C1 peut être comprise entre 10 °C et 45°C.

De préférence, les fluides frigorigènes s’écoulent depuis une extrémité 2b de l’échangeur supplémentaire 2 vers une autre extrémité 2a suivant la direction longitudinale z, dans le sens ascendant. L’extrémité 2b correspond au bout froid de l’échangeur supplémentaire 2 où le fluide frigorigène est introduit à la température la plus basse des températures de l’échangeur supplémentaire 2.

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