Brevet FR2135186A1 — publié le 19721215

La présente invention concerne une pièce d'entrée pour une canalisation pour le transport d'un liquide visqueux entouré par une couche annulaire d'un liquide d'une viscosité moindre, ces liquides étant complètement ou sensiblement inso-5 lubies l'un dans l'autre, comprenant : un canal central, comportant au moins une entrée et avec une sortie pour le liquide visqueux, une chambre entourant ce canal central, comportant au moins une entrée pour le liquide d'une viscosité moindre et avec une sortie annulaire pour ce liquide qui est placée de 10 manière à entourer la sortie pour le liquide visqueux, et une pièce de jonction symétrique en rotation pour la jonction avec la canalisation ; elle concerne aussi un procédé pour le transport de ces liquides par une canalisation. le terme liquide est pris ici comme englobant les 15 liquides ayant des propriétés non newtoniennes. Le liquide visqueux sera appelé, ci-après, huile et le liquide d'une viscosité moindre sera appelé eau» Une application connue du procédé mentionné ci-dessus est le transport d'huile par des canalisations, de l'eau ou 20 une phase liquide constituée essentiellement d'eau étant utilisée comme liquide d'une viscosité moindre» Ici, l'huile se déplace sous la forme d'un long bouchon par la partie centrale de la canalisation, l'eau formant une couche entre l'huile et la paroi de la canalisation. Comme le frottement entre l'eau 25 et la paroi est bien moindre que celui entre l'huile et la paroi, la résistance à l'écoulement est considérablement moindre que dans le pompage d'huile seulement. De cette manière, il est même possible de transporter par une canalisation des huiles très rigides ou des huiles à des températures au-dessous du 30 point d'écoulement. A cet égard, il est d'une grande importance qu'il n'y ait pas de gouttes d'huile présentes dans l'eau en dehors du bouchon central d'huile. Des gouttes d'huile dispersées dans la couche d'eau augmenteraient considérablement l'épais-35 seur de cette couche nécessaire pour séparer le bouchon central d'huile de la paroi. Comme résultat, une plus petite partie du volume transporté consisterait en huile tandis que, de plus, 72 15052 2 2135186 la séparation entre l'huile et l'eau après le transport serait plus difficile» On a trouvé que la formation de gouttes d'huile se produit là où l'eau et l'huile sont ajoutées l'une à l'autre ; 5 des gouttes d'huile se forment alors plus facilement quand la viscosité de l'huile est plus basse. Comme résultat de la présence de la sortie annulaire pour l'eau jbout autour de la sortie pour l'huile, immédiatement après que l'eau et l'huile ont été ajoutées l'une à l'autre, 10 une couche annulaire d'eau est formée autour de l'huile. La formation de gouttes d'huile est déterminée en premier lieu par la vitesse moyenne locale d'écoulement de l'huile. Plus cette vitesse est grande, plus forte est la probabilité que des gouttes se forment» 15 Dans le présent procédé, de transport, la vitesse moyenne d'écoulement dans la canalisation est généralement supérieure à 0,5 m/s. Cette limite inférieure est en relation avec le phénomène consistant en ce qu'à de plus petites vitesses d'écoulement, il existe un risque que le bouchon d'huile 20 pénètre à travers la couche annulaire d*eau et vienne en contact avec la paroi de la canalisation, ce qui est indésirable» Des vitesses d'écoulement de l'huile supérieures à 0,5 m/s, toutefois, donnent souvent naissance à la formation de gouttes quand la couche annulaire d'eau est formée» Des 25 effets périphériques dans le profil des vitesses de l'huile, jouent un rôle important ici. L'invention fournit un moyen par lequel à de grandes vitesses d'écoulement aussi l'eau et l'huile peuvent être introduites dans la canalisation de manière qu'on obtienne le 30 diagramme d'écoulement désiré sans formation de gouttes d'huile. L'invention concerne donc une pièce d'entrée comme décrit ci-dessus dans laquelle a) - le canal central du côté de la sortie sur une longueur au moins égale à la moitié du diamètre de la sortie 35 est symétrique en rotation et sensiblement cylindrique et dans une position coaxiale par rapport à la canalisation, b) — une ou plusieurs résistances sont installées 72 15052 3 2135186 dans le canal central, résistances qui favorisent une vitesse d'un liquide s*écoulant dans la canalisation qui est uniforme sur la surface de section, et c) - la surface de section de la sortie pour le li-5 quide visqueux est au moins 50% de la surface de section de la canalisation. Les résistances assurent que la vitesse du courant d'huile soit distribuée plus uniformément sur la surface de section de la sortie du canal central. Gomme résultat, les 10 effets périphériques dans le profil des vitesses sont considérablement réduits et la formation de gouttes dépend beaucoup moins de la vitesse moyenne du courant d'huile. Alors, à des vitesses assez grandes du courant d'huile, également, le transport peut être effectué avec une couche d'eau très mince, 15 même quand les huiles ont une faible viscosité. Egalement, quand on utilise des vitesses d'écoulement assez grandes, le risque que l'huile pénètre dans la couche annulaire d'eau et vienne en contact avec la paroi diminue. La pièce d'entrée peut donc être très bien utilisée dans une position quelconque. 20 Comme l'utilisation des résistances permet une plus grande vitesse d'écoulement dans la sortie du canal central, la surface de section de cette sortie est,dans une large mesure, indépendante de la surface de section de la canalisation et peut, par exemple, être comprise entre 0,5 et 1,5 fois cette 25 dernière surface» La pièce de jonction a de préférence la forme d'une partie de la surface courbe d'un cône» Les résistances sont installées à l'intérieur du canal central près de la sortie du canal central. "Près de la sortie du canal central" veut dire que les résistances se 30 trouvent à une distance de la sortie inférieure à environ le diamètre du canal central, par exemple un quart ou un dixième de ce diamètre ou moins» La largeur de la sortie annulaire est de préférence choisie telle que la différence entre les vitesses moyennes 35 d1 écoulement des deux liquides soit inférieure à 0,5 m/s« Le rapport entre les quantités d'eau et d'huile à utiliser dans le pompage d'huile par une canalisation peut varier entre de 72 15052 4 2135186 larges limites. Il est donc impossible d'établir une relation entre la largeur de la sortie annulaire et la surface de section de la sortie du canal central. Toutefois, à partir du désideratum formulé ci-dessus concernant la différence entre 5 les vitesses moyennes d'écoulement, l'homme de l'art sera parfaitement capable de déterminer la largeur appropriée de la sortie annulaire. De même, l'homme de l'art sera capable de déterminer les dimensions et la forme de la sortie annulaire et de la deuxième chambre, l'une par rapport à l'autre, de 10 manière à obtenir une couche annulaire d'eau dont la vitesse d'écoulement et l'épaisseur soient sensiblement les mêmes le long de toute la circonférenceo Dans de nombreux cas, la pièce d'entrée peut être réalisée de manière que le diamètre de sortie du canal central 15 soit sensiblement égal au diamètre de la canalisation, moins deux fois la largeur de la sortie annulaire» La pièce de jonction peut alors être cylindrique et peut avoir le même diamètre que la canalisation. Ceci permet une forme très simple et compacte de la pièce d'entrée. 20 Les résistances utilisées peuvent en général être choisies de manière à augmenter la résistance à l'écoulement pour un liquide circulant dans le canal central. Elles peuvent, par exemple, être formées de grilles, qui peuvent consister en un certain nombre de barres rondes. La chute de pression à 25 laquelle l'huile est soumise en passant à travers ces grilles a un effet d'uniformisation sur les différences de vitesse d'écoulement. Si on utilise deux grilles, ou plus, pour augmenter l'effet, il est recommandé de choisir des directions différentes pour les barres des grilles successives, pour éliminer 30 un effet de la direction des barres sur la distribution des vitesses d'écoulement. Les résistances peuvent aussi consister en plaques perforées». De plus, une combinaison de grilles et de plaques perforées peut être utilisée» Tant les grilles que les plaques 35 perforées peuvent être réalisées de manière que la surface libre des résistances diminue vers le centre. Dans ce cas, un effet particulier peut être exercé sur la distribution des 72 15052 5 2135186 vitesses d'écoulement par une plus grande surface libre des résistances, ce qui signifie une diminution de la chute de pression. Un mode de réalisation très approprié est celui dans 5 lequel les résistances sont formées par un certain nombre de déflecteurs qui divisent le canal central en un certain nombre de sous-canaux. Dans tous ces sous-canaux, sensiblement les mêmes diagrammes d'écoulement se formeront, de sorte que du côté de la sortie de ces sous-canaux, il existera un courant 10 dont la vitesse sera distribuée uniformément sur toute la surface de section du canal central. L'épaisseur des déflecteurs n'ajpas d'influence sur l'écoulement et peut donc être choisie comme justifié du point de vue de la construction. Par exemple, un mode de réalisation simple est celui dans lequel deux dé-15 flecteurs, perpendiculaires entre eux, divisent le canal en quatre segments. On obtient un haut degré d'uniformité de l'écoulement quand les sections de tous les sous-canaux perpendiculaires à leurs axes ont sensiblement la même forme et/ou la même sur-20 face. Dans beaucoup de cas, il est avantageux que la longueur des sous-canaux soit au moins égale à la plus petite dimension de leur section. En général, il faut une longueur des canaux d'autant plus grande que la viscosité de l'huile 25 est plus faible. Il est avantageux que la section des sous- canaux ait sensiblement la forme d'un hexagone régulier. Avec cette forme, une distribution très uniforme de la vitesse d'écoulement peut être obtenue avec une surface de section relativement petite des parois des canaux, de sorte qu'il n'y 30 a qu'une petite diminution de la vitesse d'écoulement. Il peut être utile que les déflecteurs, ou qu'au moins une partie des déflecteurs, s'étendent sur la longueur entière du canal central, et que chacun des sous-canaux limités par ces déflecteurs, et éventuellement par une partie de la 35 paroi du canal central, communique avec une entrée séparée. Ceci rend possible d'obtenir une distribution très uniforme de la vitesse d'écoulement du liquide visqueux avec une petite 72 15052 6 2135186 aire superficielle totale des déflecteurs. Le canal central peut comporter du côté de la sortie, un collier constitué d'une matière flexible. Ceci permet à la largeur de la sortie annulaire de s'adapter d'elle-même à l'épaisseur de la couche annulaire d'eau, qui est déterminée par la quantité d'eau introduite. L'invention fournit aussi un procédé pour le transport par une canalisation d'un liquide visqueux entouré par une couche annulaire de liquide d'une faible viscosité, ces liquides étant complètement ou sensiblement insolubles l'un dans l'autre, procédé selon lequel les deux liquides sont introduits à l'aide d'une pièce d'entrée telle que décrite, le débit volumique du liquide d'une faible viscosité étant compris entre les limites de 0,1 et 25% du débit volumique du liquide visqueux» Le procédé peut être mis en oeuvre avec une très petite diminution de la vitesse d'écoulement à l'aide d'une pièce d'entrée dans laquelle les déflecteurs, ou au moins une partie d'entre eux, s'étendent sur la longueur entière du canal central et chacun des sous-canaux limités par ces déflecteurs et éventuellement par une partie de la paroi du canal central communique avec une entrée séparée, et dans laquelle le débit volumique par les entrées pour le liquide visqueux est sensiblement proportionnel à la surface de la section -à l'endroit de la sortie- des sous-canaux limités par les déflecteurs s'étendant sur la longueur entière du canal central et, éventuellement, par la paroi du canal central. On obtient des résultats très favorables quand la différence entre les vitesses moyennes d'écoulement des deux liquides, respectivement par la sortie du canal central et par la sortie annulaire, est inférieure à 0,5 m/so Un point d'une grande importance est que de l'huile peut maintenant être transportée par une canalisation avec seulement de très petites quantités d'eau. On a trouvé que la chute de pression qui se produit est au maximum égale à celle de l'eau à la même vitesse moyenne d'écoulement, quelle que soit la viscosité de l'huile* 72 15052 7 2135186 Dans de nombreux cas, la chute de pression est même de seulement 60 à 80L/c de celle de l'eau» Ceci est un résultat de l'absence de courants ou de vortex dans la partie centrale, qui est occupée ici par de l'huile moins mobile ou même rigi-5 de» La formation de gouttes d'huile dans l'eau ne se produit pas, même dans le cas d'huiles d'une faible viscosité, comme par exemple de 100cSt» Le procédé selon l'invention offre ainsi les possibilités et avantages suivants ï Des huiles très visqueuses, qui sans ce procédé ne 10 pourraient pas être transportées, peuvent maintenant être pompées avec très peu d'eau» Des huiles qui, à la température normale, sont très visqueuses sont souvent fournies à une température relativement élevée, la viscosité dans la partie initiale de l'opération de pompage étant ainsi faible» Malgré 15 cette faible viscosité, l'introduction avec une couche annulaire environnante d'eau sans formation de gouttes, peut maintenant être effectuée par l'appareil et le procédé selon l'invention, tandis qu'il ne se pose pas de problèmes pour le transport comme conséquence de la chute de température plus 20 loin dans la canalisation. De plus, des huiles d'une faible viscosité peuvent maintenant être transportées par le procédé selon l'invention, ce qui implique que la capacité de la canalisation peut être accrue considérablement, puisque la chute de pression dans la canalisation est au maximum égale à celle 25 de l'eau à la même vitesse moyenne d'écoulement, tandis que le volume nécessaire d'eau, par rapport à la quantité d'huile transportée par pompage, peut être petit au point d'être négligeable» Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non 30 limitatifs : - la figure 1 représente une coupe longitudinale et une coupe transversale d'une pièce d'entrée selon l'invention comportant des grilles» - la figure 2 représente une coupe longitudinale et 55 une coupe transversale d'une pièce d'entrée comportant des plaques perforées. - la figure 3 représente une pièce d'entrée en coupe 72 15052 8 2135186 longitudinale et en coupe transversale, pièce d'entrée dont le canal central comporte des déflecteurs axiaux et un collier flexible. Sur la figure 1, le canal central limité par la 5 paroi cylindrique 2 est désigné par la référence 1. Le canal central comporte une entrée 3 pour l'huile et une sortie 4 pour l'huile. Le canal central est entouré par la chambre 5, qui est limitée à l'intérieur par une partie de la paroi 2 du canal central et à l'extérieur par la paroi 6. La chambre com-10 porte une entrée 7 et une sortie annulaire 8. Dans le canal central, deux grilles 9 et 10 sont présentes. Les barres de la grille 9 sont dans la position verticale, celles de la grille 10 dans la position horizontale. Entre la pièce d'entrée et la canalisation 11, se trouve une pièce de jonction qui a la forme 15 d'une partie de la surface courbe d'un cône et dont la surface de la section perpendiculaire à l'axe est plus grande du côté de la pièce d'entrée que du côté de la canalisation. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le canal central 1 est limité du côté de l'entrée 3 par une 20 portion de paroi 13 qui a la forme d'une partie de la surface courbe d'un cône et du côté de la sortie 4 par une portion cylindrique de paroi 14. La portion de paroi 14 est près de la sortie 4 amincie vers l'extérieur. Le canal central est entouré par une chambre 5 qui est limitée par une partie de la 25 paroi cylindrique 14 et par la paroi 15 et qui comporte une entrée 7 et une sortie annulaire 8. Le canal central, dans sa partie cylindrique, comporte deux plaques perforées 16 et 17, la surface libre de ces plaques diminuant vers le centre. La pièce d'entrée est reliée à la canalisation 11 au moyen d'une 30 pièce de jonction cylindrique 18. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le canal central 1 est limité par la paroi 2 et comporte des entrées 3 et une sortie 4. La chambre 5 est limitée par les parois 2 et 6 et elle comporte une entrée 7 et une sortie 35 annulaire 8. Dans le canal central, des déflecteurs 19 sont présents qui divisent le canal en un certain nombre de sous-canaux 20 à section droite hexagonale. Du côté de la sortie du 72 15052 9 2135186 canal central, un collier 21 de matière flexible est présent. Les exemples non limitatifs suivants montreront bien comment l'invention peut être mise en oeuvre. - K7i KtePLE X — 5 Dans un tuyau d'essai de 140 mm de diamètre, on in troduit de l'huile et de l'eau à l'aide d'une pièce d'essai sensiblement selon le mode de réalisation représenté sur la-figure 3» On utilise un pétrole brut "Boscan" à une température de 50 à 80°0 ; dans l'essai, on fait varier la viscosité 10 de l'huile entre 1000 et 5000 cPo ; sa densité est d'environ 0,995» Avec des quantités d'eau de 0,5 à 15%, à des vitesses d'écoulement de 0,18 à 2,3 m/s, on peut obtenir une couche annulaire d'eau sans gouttes d'huile dispersées. - EXEMPLE II - 15 Dans l'appareil selon l'Exemple I, une huile combus tible 3000 s est pompée à des températures de 10 à 50°C ; dans cet essai, la viscosité de l'huile varie entre 1000 et 10 000 cPo, la densité entre 0,945 et 0,965» De nouveau avec des quantités d'eau de 0,5 à 15%, à des vitesses d'écoulement de 20 0,18 à 2,4 m/s, on obtient une couche annulaire d'eau sans gouttes d'huile. - EXEMPLE III - Dans le même appareil, une huile combustible 500 s est pompée à des températures de 10-50°C ; dans cet essai, la 25 viscosité de l'huile varie entre 150 et 1500 cPo, la densité entre 0,930 et 0,945. De nouveau avec des quantités d'eau de 0,5 à 15%, à des vitesses d'écoulement de 0,18 à 2,3 m/s, on obtient une couche annulaire d'eau sans gouttes d'huile. 72 15052 10 2135186 REVENDICATIONS 1) Une pièce d'entrée pour une canalisation pour le transport d'un liquide visqueux entouré par une couche annulaire d'un liquide d'une viscosité moindre, ces liquides étant complètement ou sensiblement insolubles l'un dans l'autre, comprenant : - un canal central, comportant au moins une entrée et avec une sortie pour le liquide visqueux, - une chambre entourant ce canal central, comportant au moins une entrée pour le liquide d'une viscosité moindre et avec une sortie annulaire pour ce liquide qui est placée de manière à entourer la sortie pour le liquide visqueux, et - une pièce de jonction symétrique en rotation pour la jonction avec la canalisation, pièce d'entrée caractérisée en ce- que : a) - le canal central du côté de la sortie sur une longueur au moins égale à la moitié du diamètre est symétrique en rotation et sensiblement cylindrique et dans une position coaxiale par rapport à la canalisation, b) - une ou plusieurs résistances sont installées à l'intérieur du canal central, près de la sortie, ces résistances favorisant une vitesse d'un liquide s'écoulant par le canal qui est uniforme sur la section, et c) - la surface de section de la sortie pour le liquide visqueux est au moins 50c/> de la surface de section de la canalisation. 2) Une pièce d'entrée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre de la sortie du canal central est sensiblement égal au diamètre de la canalisation, moins deux fois la largeur de la sortie annulaire. 3) Une pièce d'entrée selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les résistances sont formées par des grilles. 4) Une pièce d'entrée selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les résistances sont formées par des plaques perforées» 72 15052 2135186 5) Une pièce d'entrée selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface libre des résistances diminue vers le centre. 6) Une pièce d'entrée selon l'une des revendications 5 1 et 2, caractérisée en ce que les résistances sont formées par un certain nombre de déflecteurs placés dans la direction axiale qui divisent le canal central en un certain nombre de s'ous-canaux. 7) Une pièce d'entrée selon la revendication 6, 10 caractérisée en ce que les sections de tous les sous-canaux perpendiculairement à leurs axes ont sensiblement la même surface. 8) une pièce d'entrée selon la revendication 7» caractérisée en ce que la longueur des sous-canaux est au moins 15 égale à la plus petite dimension de leur section droite. 9) Une pièce d'entrée selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que la section droite des sous-canaux a sensiblement la forme d*un hexagone régulier. 10) Une pièce d'entrée selon la revendication 9» 20 caractérisée en ce que les déflecteurs, ou au moins une partie des déflecteurs, s'étendent sur la longueur entière du canal central et que chacun des sous-canaux limités par ces déflecteurs et, éventuellement, par une partie de la paroi du canal central, communique avec une entrée séparée. 25 11) Une pièce d'entrée selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le canal central du côté de la sortie comporte un collier constitué d'une matière flexible» "12) Un procédé pour le transport par une canalisation 50 d'un liquide visqueux entouré par une couche annulaire d*un liquide d'une faible viscosité, ces liquides étant complètement ou sensiblement insolubles l'un dans l'autre, procédé selon lequel les deux liquides sont introduits à l'aide d'une pièce d'entrée selon l'une des revendications précédentes, le débit 35 volumique du liquide à faible viscosité étant compris entre les limites de 0,1 et de 25^ du débit volumique du liquide visqueux» 13) Un procédé selon la revendication 12, caractérisé 72 15052 12 2135186 en ce que les deux liquides sont introduits à l'aide d'une pièce d'entrée selon la revendication 10, le débit volumique par les entrées pour le liquide visqueux étant sensiblement proportionnel à la surface de la section droite -à l'endroit de la sortie- des sous-canaux limités par les déflecteurs s'étendant sur la longueur entière du canal central et, éventuellement, par la paroi du canal central»