La présente invention concerne un dispositif d'échange thermique entre un premier fluide destiné à être vaporisé et un deuxième fluide destiné à être refroidi et/ou condensé, comprenant :
Le dispositif d'échange thermique est par exemple destiné à être placé dans un train de refroidissement d'une installation de production d'hydrocarbures liquéfiés, en particulier une installation de liquéfaction de gaz naturel.
La liquéfaction du gaz naturel présente de nombreux avantages en termes de transport et de conditionnement des hydrocarbures. Une quantité croissante du gaz naturel produit est liquéfiée dans des installations de liquéfaction de capacités significatives.
Pour pré-refroidir le gaz naturel, un dispositif d'échange thermique du type précité est fréquemment utilisé. Dans ce cas, le premier fluide est par exemple du propane. Le propane est introduit sous forme liquide ou diphasique dans le volume intérieur de la calandre, et est vaporisé en récupérant les calories extraites du gaz naturel circulant dans le faisceau de tubes. Le gaz naturel est ainsi pré-refroidi lors de son passage dans le dispositif d'échange thermique.
En variante, un dispositif du type précité est utilisé pour refroidir ou condenser des fluides réfrigérant (en lieu et place du gaz naturel) dans des boucles de réfrigération.
Le réchauffage du premier fluide engendre sa vaporisation partielle et la génération d'un fluide entraîné qui est recomprimé avant d'être reliquéfié.
Le fluide entraîné comporte généralement des gouttelettes de liquide, qui doivent être séparées du flux gazeux, avant que celui-ci ne soit introduit dans le compresseur.
À cet effet, le dispositif d'échange thermique est généralement muni d'un organe de désengagement, formé par exemple d'un treillis ajouré, à travers lequel le fluide entraîné passe pour éliminer les gouttelettes.
L'organe de désengagement est situé au-dessus du volume de propane liquide, à une distance minimale de celui-ci, afin de ne pas tremper dans le propane liquide. De plus, le propane liquide présent autour du faisceau de tubes subit de nombreuses turbulences, du fait de sa vaporisation partielle, ce qui augmente la distance minimale entre l'organe de désengagement et le faisceau de tubes.
Compte tenu des capacités de refroidissement nécessaires à la liquéfaction, l'encombrement du dispositif d'échange thermique est élevé. Par suite, dans une installation de liquéfaction de gaz naturel, notamment de grande capacité, les trains de liquéfaction occupent un espace important. Par exemple, dans certaines unités, la longueur des trains de liquéfaction peut atteindre plusieurs dizaines de mètres. Ceci est acceptable lorsque l'emprise au sol disponible est importante, mais peut poser problème dans d'autres contextes, où l'emprise disponible est plus faible.
Un but de l'invention est de diminuer la taille des dispositifs d'échange thermique dans une installation de production de fluide refroidi et/ou liquéfié, sans nuire à leur efficacité et à leur fonctionnement.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif du type précité tel qu'en revendication 1.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif selon l'invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
L'invention a également pour objet une installation de liquéfaction d'hydrocarbures, comprenant au moins un train de liquéfaction, le train de liquéfaction comprenant un dispositif tel que décrit plus haut.
L'invention a aussi pour objet un procédé d'échange thermique entre un premier fluide destiné à être vaporisé et un deuxième fluide destiné à être refroidi et/ou condensé, comprenant les étapes suivantes :
L'invention a également pour objet un dispositif d'échange thermique entre un premier fluide destiné à être vaporisé et un deuxième fluide destiné à être refroidi et/ou condensé, comprenant :
Dans ce cas, l'organe de désengagement ne comporte pas nécessairement dans au moins un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal, au moins deux régions de passage de fluide disjointes et au moins une région intermédiaire empêchant le passage de fluide.
Il peut cependant comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessus, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
Dans tout ce qui suit, les termes « amont » et « aval » s'entendent par rapport au sens normal de circulation d'un fluide dans le dispositif d'échange thermique.
Un premier dispositif 10 d'échange thermique selon l'invention est illustré par la
Le dispositif d'échange thermique 10 est destiné à placer en relation d'échange thermique un premier fluide circulant dans un cycle de réfrigération avec un deuxième fluide de l'installation 12. Le premier fluide est propre à se réchauffer et à se vaporiser au moins en partie dans le dispositif 10 pour engendrer un fluide entrainé. Le deuxième fluide est propre à être refroidi, et avantageusement liquéfié dans le dispositif 10.
Dans cet exemple, le premier fluide est un hydrocarbure, par exemple du propane, ou un mélange d'hydrocarbures.
Le deuxième fluide est avantageusement du gaz naturel ou un mélange réfrigérant. Il est sous forme gazeuse ou diphasique en amont du dispositif d'échange thermique 10. Le deuxième fluide est sous forme liquide ou diphasique ou gazeux après son passage dans le dispositif d'échange thermique 10.
L'installation 12 comprend une source 14 de deuxième fluide sous forme gazeuse, disposée en amont du dispositif d'échange thermique 10, et une capacité 16 de récupération du deuxième fluide liquéfié, disposée en aval du dispositif d'échange thermique 10.
L'installation 12 comprend en outre un cycle de réfrigération 18, dans lequel circule le premier fluide.
Le cycle de réfrigération 18 comprend par exemple, en amont du dispositif 10, un organe de détente 20, tel qu'une vanne de détente statique ou une turbine de détente dynamique, propre à détendre le premier fluide pour entraîner son refroidisement, et un séparateur 22 gaz/liquide, disposé entre l'organe de détente 20 et le dispositif d'échange thermique 10. Le cycle de réfrigération 18 comporte un compresseur 24, disposé en aval du dispositif d'échange thermique 10.
En référence à la
Il comporte une calandre 30 allongée, un faisceau de tubes 32 disposé dans un volume intérieur 34 de la calandre 30 et un distributeur/collecteur 36, propre à distribuer le deuxième fluide dans le faisceau de tubes 32 et à le collecter à sa sortie du faisceau de tubes 32. Le faisceau de tubes est représenté schématiquement par un seul tube sur la
Le dispositif d'échange thermique 10 comporte en outre au moins une entrée inférieure 38 d'introduction du premier fluide dans le volume intérieur 34, au moins une sortie inférieure 40 de purge d'un excès de premier fluide sous forme liquide, et au moins une sortie supérieure 42 d'évacuation du flux gazeux entraîné, disposée au-dessus de la calandre 30.
Le dispositif d'échange thermique 10 comprend de plus un organe de désengagement 44, interposé entre le faisceau de tubes 32 et la sortie supérieure 42 pour éliminer les gouttelettes de liquide présentes dans le flux gazeux entraîné à travers la sortie supérieure 42.
La calandre 30 s'étend suivant un axe longitudinal A-A' d'allongement, qui dans l'exemple représenté sur la
Elle présente une paroi 46 délimitant intérieurement le volume intérieur 34, une pluralité de chicanes 48 de support du faisceau de tubes 32, et dans cet exemple, une paroi interne 50 de rétention du premier fluide autour du faisceau de tubes 32, faisant saillie verticalement dans le volume intérieur 34, au voisinage de l'extrémité du faisceau de tubes 32.
Le faisceau de tubes 51 comporte par exemple plus de 5000 tubes.
Chaque tube 51 présente un diamètre interne notamment compris entre 1,6 cm (5/8 de pouce) et 3,8 cm (1.5 pouce). Les tubes 51 présentent de préférence une section circulaire. Les tubes sont dépourvus de matériau de remplissage solide, comme par exemple un packing ou du catalyseur.
Dans cet exemple, chaque tube 51 présente un tronçon amont 52 et un tronçon aval 54 s'étendant linéairement parallèlement à l'axe A-A', et un tronçon intermédiaire coudé 56 raccordant les tronçons 52, 54. Les tronçons 52, 54 débouchent en amont et en aval dans le distributeur/collecteur 36.
Dans l'exemple illustré par la
En variante, comme illustré par la
Lorsque l'enveloppe définie par les tubes 51 est allongée, la compacité du dispositif d'échange thermique 10 est améliorée, pour une hauteur donnée séparant le faisceau de tubes 32 de l'organe de désengagement 44.
Le distributeur/collecteur 36 comporte un compartiment amont 60 de distribution du deuxième fluide sous forme gazeuse ou diphasique et un compartiment aval 62 de collecte du deuxième fluide sous forme liquide ou diphasique.
Le compartiment amont 60 est raccordé d'une part à la source 14 de deuxième fluide, et d'autre part, aux tronçons amont 52 des tubes 51.
Le compartiment aval 60 est raccordé d'une part, aux tronçons aval 54 des tubes 51 et d'autre part, à la capacité 16 de collecte du deuxième fluide sous forme liquide ou diphasique.
L'entrée inférieure 38 est piquée verticalement sous la calandre 30, et débouche vers le haut en regard du faisceau de tubes 32. Elle est propre à introduire le premier fluide sous forme liquide ou diphasique par débordement dans le volume intérieur 34. Elle est raccordée en amont à l'organe de détente 20, avantageusement à travers le séparateur liquide/gaz 22.
La paroi de rétention 50 présente une hauteur supérieure à la hauteur du faisceau de tubes 32. Elle est propre à retenir le premier fluide introduit par l'entrée inférieure 38 pour immerger sensiblement totalement le faisceau de tubes 32 dans le premier fluide.
La sortie inférieure 40 est piquée verticalement sous la calandre 30, à l'opposé du faisceau de tubes 32 par rapport à la paroi de rétention 50.
Le premier fluide liquide n'ayant pas été vaporisé dans le volume intérieur 34 est propre à s'écouler par débordement au-dessus de la paroi de rétention 50, et à s'évacuer à travers la sortie inférieure 40.
La sortie supérieure 42 est piquée verticalement au-dessus de la calandre 30, de préférence en regard du faisceau de tubes 32, à l'opposé de l'organe de désengagement 44 par rapport au faisceau de tubes 32. Elle est raccordée en aval au compresseur 24.
L'organe de désengagement 44 est destiné à éliminer les gouttelettes présentes dans le fluide entraîné au-dessus du faisceau de tubes.
Il est interposé horizontalement entre le faisceau de tubes 32 et la sortie supérieure 42, au-dessus du faisceau de tubes 32. Il s'étend avantageusement sur toute la longueur de la calandre 46.
Une hauteur minimale h1 est maintenue entre les tubes 51 du faisceau de tubes 32 et l'organe de désengagement 44. Cette hauteur est par exemple supérieure à 600 mm.
L'organe de désengagement 44 comporte au moins une cloison ajourée formée d'un treillis ayant une structure en caillebotis 70, telle qu'illustrée par la
La cloison ajourée définit un réseau d'alvéoles 74, permettant le passage du flux d'entraînement gazeux chargé de gouttelettes, et la collecte des gouttelettes à la périphérie des passages
Dans l'exemple représenté sur la
L'organe de désengagement 44 comporte en outre une troisième cloison longitudinale ajourée 84 espacée horizontalement de la première cloison 80, à la même hauteur que la première cloison 80.
Les cloisons longitudinales 80, 82, 84 sont formées par des plaques ajourées s'étendant horizontalement sur toute la longueur de la calandre 30.
La première cloison 80 et la deuxième cloison 84 délimitent entre elles un espace intermédiaire 86 couvert vers le haut par la deuxième cloison 82.
La largeur de la deuxième cloison 82 est supérieure à celle de l'espace intermédiaire 86. Ainsi, au moins une partie latérale de la deuxième cloison 82 s'étend en regard de la première cloison 80, et au moins une partie latérale de la deuxième cloison 82 s'étend en regard de la troisième cloison 84.
La première cloison 80 est raccordée à la deuxième cloison 82 par une première paroi pleine inclinée 88. La troisième cloison 84 est raccordée à la deuxième cloison 82 par une deuxième paroi pleine inclinée 89.
Ainsi, selon l'invention, dans chaque plan transversal perpendiculaire à l'axe longitudinal A-A', l'organe de désengagement 44 comporte au moins deux régions 90, 92, 94 de passage de fluide disjointes, et au moins une région intermédiaire 98, 99 empêchant le passage de fluide.
Dans l'exemple représenté sur la
Les régions intermédiaires 98, 99 empêchant le passage de fluide sont délimitées respectivement par les parois pleines 88, 89.
La deuxième région de passage de fluide 92 étant déportée verticalement par rapport aux régions de passage de fluide 90, 94, il est possible de remonter l'organe de désengagement 44 dans la calandre 30, sans diminuer la surface ajourée disponible pour le passage du flux entraîné.
Le dispositif d'échange thermique 10 est donc plus compact, tout en conservant des propriétés adéquates d'élimination des gouttelettes présentes dans le flux entraîné.
Un procédé d'échange thermique, mis en oeuvre à l'aide du dispositif 10 selon l'invention, va maintenant être décrit.
Dans ce procédé, le deuxième fluide sous forme gazeuse est amené depuis la source 14 jusqu'au compartiment de distribution 60 du distributeur/collecteur 36. Le premier fluide est réparti entre les tubes 51 du faisceau de tubes 32 et circule successivement dans le tronçon amont 52, dans le tronçon intermédiaire coudé 56, puis dans le tronçon aval 54.
Lors de ce passage dans le faisceau de tubes 32, le deuxième fluide se refroidit et se condense par échange thermique sans contact avec le premier fluide situé à l'extérieur des tubes 51 du faisceau 32 dans le volume intérieur 34.
Le deuxième fluide est collecté sous forme liquide dans le compartiment de collecte 62, puis est évacué hors du dispositif 10 jusqu'à la capacité 16.
Simultanément, du premier fluide sous forme liquide ou diphasique, obtenu par détente à travers l'organe de détente 20 est introduit en continu par l'entrée inférieure 38 dans le volume intérieur 34. Le premier fluide forme un bain de liquide, dans lequel sont immergés les tubes 51 du faisceau de tubes 32.
Les calories issues du deuxième fluide, collectées par le premier fluide provoquent l'évaporation partielle du premier fluide autour du faisceau de tubes 32 et le dégagement d'un flux entraîné au-dessus du faisceau de tubes 32.
Le flux entraîné est constitué majoritairement de gaz, mais comporte éventuellement des gouttelettes de liquide en amont de l'organe de désengagement 44.
Lors du passage dans l'organe de désengagement 44, le flux entraîné traverse les régions de passage de fluide 90, 92, 94 des cloisons ajourées 80, 82, 84. Les gouttelettes de liquide sont retenues par la structure des cloisons 80, 82, 84, de sorte que le flux entraîné est totalement gazeux dans l'espace aval de récupération 100 situé à l'opposé du faisceau de tubes 32 par rapport à l'organe de désengagement 44.
Le flux entraîné est ensuite extrait par la sortie supérieure 42 pour être amené jusqu'au compresseur 24.
Dans le volume intérieur 34, l'excès de premier fluide non évaporé s'écoule par débordement à partir de la paroi de rétention 50 jusqu'à la sortie inférieure 40, avant d'être recyclé.
La présence d'un organe de désengagement 44 présentant des régions de passage de fluide disjointes améliore donc la compacité du dispositif d'échange thermique 10, sans nuire à la capacité d'élimination des gouttelettes de liquide dans le fluide entraîné, et en maintenant une distance suffisante entre le faisceau de tubes 32 et l'organe de désengagement 44.
Une variante de dispositif 10 non conforme à l'invention, représentée sur la
La paroi pleine 88 fait saillie latéralement de part et d'autre des parois 80, 82, pour forcer le flux entraîné à se déplacer latéralement vers l'extérieur de la calandre 30, puis à effectuer un coude pour atteindre les cloisons ajourées 80, 82.
Comme précédemment, les cloisons ajourées 80, 82 délimitent respectivement dans chaque plan transversal à l'axe A-A', une première région de passage de fluide 90 et une deuxième région de passage de fluide 92 disjointes. Les régions 90, 92 s'étendent ici verticalement.
La première région de passage de fluide 90 et la deuxième région de passage de fluide 92 sont raccordées l'une à l'autre par une région pleine 98 horizontale, située en regard du faisceau de tubes 32.
Le fonctionnement du dispositif 10 représenté sur la
Une autre variante de dispositif 10 non conforme à l'invention est illustrée par les
À la différence du dispositif 10 représenté sur la
La cheminée 110 est de forme sensiblement cylindrique d'axe vertical C-C'. Elle débouche dans le volume intérieur 34, au-dessus du faisceau de tubes 32.
La sortie supérieure 42 est ménagée à l'extrémité libre de la cheminée 110.
L'organe de désengagement 44 est contenu dans la cheminée 110.
Dans cet exemple, l'organe de désengagement 44 comporte une cloison ajourée 80 cylindrique d'axe vertical, de préférence coaxiale avec la cheminée 110. Il comporte une paroi pleine 88 fermant la cloison ajourée 80 vers le haut, et une paroi pleine annulaire 89 raccordant un bord inférieur de la cloison ajourée 80 à la périphérie de la cheminée 110.
La cloison ajourée cylindrique 80 débouche vers le bas en regard du faisceau de tubes 32, à l'intérieur de la paroi pleine annulaire 89.
Comme précédemment, dans au moins un plan transversal perpendiculaire à l'axe A-A', visible sur la
La paroi intermédiaire 88 délimite une région intermédiaire pleine 98 raccordant les régions 90, 92.
Par ailleurs, le faisceau de tubes 32 définit une enveloppe allongée horizontalement, ici de forme pseudo trapézoïdale.
Dans une variante (non représentée) du dispositif 10 de la
Dans une variante, illustrée par la
Dans cet exemple, les régions 200, 204 sont situées l'une au-dessus de l'autre.
En variante, représentée sur la
Dans le cinquième dispositif 10 selon l'invention, illustré sur la
Dans une variante, la cloison ajourée est formée d'une mousse métallique.
Dans une autre variante, la cloison ajourée comporte une paroi délimitant des ouvertures et une mousse métallique positionnée sur les ouvertures de la paroi.
La mousse métallique est par exemple une mousse d'aluminium telle que la mousse Duocel® commercialisée par la société ERG Aerospace Corporation.
En outre, comme visible manifestement sur les figures, l'espace aval 100 de récupération de gaz, situé à l'opposé du volume intérieur par rapport à l'organe de désengagement 44 est délimité d'une part, par les régions de passage de fluide, et d'autre part, par la ou par chaque région empêchant le passage de fluide.
Comme indiqué plus haut, cet espace aval 100 contient un fluide exclusivement gazeux ayant traversé les régions de passage de fluide.
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.