Brevet FR2310793A1 — publié le 19761210

La présente invention concerne la production d'énergie par voie thermique, et notamment les séparateurs verticaux. L'invention peut cotre appliquée à la séparation de la vapeur humide, par exemple dans les installations à vapeur de production d'énergie ayant des turbines dont le fluide moteur est la vapeur saturée, les séparateurs pouvant etre séparés, combinés dans un séparateur-surchauffeur, intercalés entre les corps à haute et basse pression de la turbine. L'invention peut aussi etre appliquée dans l'industrie chimique, pétrochimique et d'autres branches industrielles,quand il est nécessaire de réaliser une séparation poussée en phases de mélanges gaz-liquide. On connait un séparateur de vapeur vertical linéaire,se présentant sous la forme d'un corps cylindrique dont la cavité intérieure est partagée par une cloison en un compartiment de vapeur humide et un compartiment de vapeur asséchée. A l'intérieur du compartiment de vapeur humide, dans l'axe du corps, sont disposées des tuyères pour la pré-épuration grossière. Les tuyères sont placées à une certaine distance les unes des autres et forment des canaux pour le passage de la vapeur humide. Dans l'enceinte formée entre la surface intérieure du corps et la surface extérieure des tuyères, est placé l'ensem- ble de séparation qui entoure toutes les tuyères sur toute leur hauteur. L'ensemble de séparation est un empilage de chicanes disposées radialement et constituant des passages pour la vapeur. Afin d'assurer une charge uniforme sur les chicanes, l'ensemble de séparation est logé dans une virole perforée qui l'entoure sur toute sa hauteur. Quand le séparateur de vapeur est en action, la vapeur humide arrive à grande vitesse aux tuyères. Les grosses particules d'eau se séparent dans les tuyères, dans lesquelles la vapeur change de direction. Sous l'effet des forces centrifuges et gravitiques, les grosses particules d'eau tombent dans la partie inférieure. La vapeur humide arrive ensuite à petite vitesse sur les chicanes de l'ensemble de séparation. En parcourant les passages des chicanes, gracie aux changements de direction multiples, les petites particules d'eau se déposent sur les parois des chicanes et s'écoulent vers le bas. La vapeur est définitivement séparée. Il est universellement connu que le débit d'un séparateur dépend de la surface des chicanes. C'est pour cette raison que le débit en vapeur du séparateur connu est faible, la surface de ses chicanes étant petite. Les tentatives d'augmentation du débit des séparateurs ont abouti à la création d'un séparateur de vapeur vertical à chicanes, dont le corps est cylindrique. A l'intérieur du corps, perpendiculairement à son axe, sont montées deux cloisons, placées à une certaine distance l'une de l'autre et partageant la cavité du corps en compartiments de vapeur humide et de vapeur asséchée. Dans l'espace entre les cloisons sont disposées coaxialement des ensembles de séparation constitués par un empilage de chicanes formant des passages pour la vapeur. Pour assurer une charge uniforme sur les chicanes, chaque ensemble de séparation est logé entre deux viroles perforées le recouvrant sur toute sa hauteur. Les ensembles de séparation avec les viroles perforées sont disposés de telle façon, qu'ils forment des passages annulaires pour la vapeur.Les passages annulaires sont alternés dans la direction radiale pour l'entrée de la vapeur humide et pour la sortie de la vapeur asséchée. Dans chaque cloison sont percés des orifices pour le passage de la vapeur. Quand le séparateur de vapeur est en action, la vapeur humide passant par les orifices de la première cloison, dans le sens de circulation de la vapeur humide, entre dans les passages annulaires d'entrée, puis en traversant les orifices des viroles perforées, elle arrive aux chicanes des ensembles de séparation contigus. La vapeur humide parcourt les passages des chicanes dans lesquels, gracie aux changements de direction multiples, l'eau se dépose sur les parois des chicanes et s'écoule vers le bas, tandis que la vapeur asséchée sort des ensembles de séparation à travers les orifices des viroles perforées et arrive dans les passages annulaires de sortie. Dans chacun des passages annulaires, la vitesse axiale de la vapeur et la pression statique varient suivant la hauteur, ce qui rend irrégulière la charge des chicanes suivant la hauteur. Il est universellement connu que, pour obtenir un fonctionnement efficace d'un séparateur, il faut assurer, non seulement une petite vitesse moyenne d'arrivée aux chicanes (inférieure à la vitesse critique), mais aussi un champ de vitesse uniforme, car les accroissements locaux de la vitesse (au-dessus de la valeur critique) provoqueraient l'entrainement de l'eau des chicanes, ce qui est inadmissible. Le séparateur connu n'assure pas l'égalité des vitesses et des pressions statiques suivant la hauteur de l'ensemble de séparation, ou, en d'autres termes, l'obtention d'un champ de vitesses uniforme, car la section des passages annulaires pour la vapeur est constante suivant la hauteur des ensembles de séparation. La vitesse de la vapeur et la pression statique varient suivant la hauteur du passage annulaire, dans la direction de circulation de la vapeur, ce qui rend irrégulière la charge de l'ensemble de séparation suivant sa hauteur, d'où une utilisation peu efficace de la surface de séparation, car il faut respecter, non seulement les vitesses moyennes,mais aussi les vitesses locales qui doivent etre inférieures à la vitesse critique. En conséquence, la charge irrégulière de l'ensemble de séparation suivant sa hauteur se traduit par un abaissement du débit du séparateur de vapeur connu. On connait aussi un autre séparateur vertical à chicanes. Ce séparateur connu comprend un corps cylindrique dans lequel sont placés coaxialement les ensembles de séparation, constitués par des chicanes formant des passages pour la vapeur. Pour assurer une charge uniforme sur les chicanes suivant la hauteur, chaque ensemble de séparation présente sur toute sa hauteur, à l'endroit où la vapeur entre dans les chicanes, des aubes directrices, et à l'endroit où la vapeur sort des chicanes, des tôles perforées. Les aubes directrices servent également à la séparation préliminaire de l'eau. En outre, pour égaliser les charges sur les chicanes, l'espace formé par les ensembles successifs est partagé suivant la hauteur par une cloison conique. Dans l'espace entre la surface intérieure du corps et la surface extérieure de l'ensemble de séparation, du côté des aubes directrices est aussi montée coaxialement avec le corps une cloison conique pour l'égalisation de la charge sur les chicanes. L'espace entre la cloison conique et la surface de l'ensemble de séparation côté aubes directrices constitue le passage d'entrée de la vapeur humide dans ledit ensemble de séparation. L'espace entre cette même cloison conique et la surface de l'ensemble de séparation voisin côté tôle perforée, constitue le passage par lequel la vapeur asséchée sort de ce second ensemble de séparation. Chaque ensemble de séparation a des compartiments verticaux pour la collecte de l'eau déposée sur les chicanes, et une chambre annulaire de collecte, située au-dessous de l'ensemble de séparation. Chaque compartiment est mis en communication avec la chambre annulaire de collecte. La cavité du corps est partagée par la surface frontale supérieure des ensembles de séparation, par les cloisons coniques, les chambres annulaires de collecte et la surface des ensembles de séparation c#té ttleperforée en compartiments de vapeur humide et de vapeur asséchée. Quand le séparateur vertical à chicanes est en action, la vapeur humide arrive dans le passage d'entrée de la vapeur humide, dans lequel, gracie à la variation de la section suivant la hauteur de l'ensemble de séparation, la vitesse de la vapeur humide et la pression statique restent à peu près constantes. Ensuite, la vapeur passe entre les aubes directrices qui changent sa direction de circulation axiale en direction radiale, vers le centre du séparateur. La vapeur humide abandonne alors jus qu'à 50 % de son eau, qui s'écoule vers le bas, dans les chambres annulaires de collecte. La vapeur humide arrive maintenant aux chicanes et parcourt leurs passages, dans lesquels,gr#ce aux changements de direction multiples, l'eau se dépose sur les parois des chicanes et s'écoule vers le bas suivant les compartiments verticaux, jusqu'aux chambres annulaires de collecte, tandis que la vapeur asséchée sur les chicanes traverse les orifices de la tôle perforée et arrive dans les passages pour la sortie de la vapeur asséchée. Dans ces passages la vapeur change sa direction de circulation radiale en direction axiale.Dans le canal de sortie de la vapeur asséchée, grace à la section variable, la vitesse de la vapeur et la pression statique restent à peu près constantes. La constance de la vitesse axiale de la vapeur et de la pression statique assurent une charge uniforme sur les chicanes, suivant letrhauteur. La vapeur asséchée du passage de sortie s'en va ensuite à l'utilisation. Un tel séparateur vertical à chicanes présente une petite surface de chicanes par unité de volume du séparateur, du fait de la présence de grands volumes inactifs entre la surface intérieure du corps et la surface de la cloison onique, côté surface intérieure du corps, ainsi qu'entre la surface de la cloi son conique située sur l'axe du corps et cet axe, ce qui, dans les conditions des installations à vapeur de production d'énergie de grande puissance marchant dans la zone des basses pressions, c'est-à-dire des grands débits volumiques, quand la vitesse de la vapeur à l'entrée des chicanes est inférieure à la valeur critique afin d'assurer un assèchement efficace de la vapeur, implique un grand encombrement et un grand poids du séparateur, ainsi que de grands volumes pour la vapeur.Or, ceci est inadmissible du point de vue de la sécurité des turbines, lesquelles pourraient s'emballer après fermeture de la soupape de coupure. L'invention a en conséquence pour but de créer un séparateur vertical dans lequel les ensembles de séparation seraient placés de telle façon que, le volume du séparateur restant le même, la surface de séparation soit plus grande, la charge des chicanes suivant la hauteur uniforme et l'évacuation du liquide séparé, allégée. Elle concerne à cet effet un séparateur vertical pour la séparation de mélanges gaz-liquide, à l'intérieur du corps cylindrique duquel est placé coaxialement un tube pour l'évacuation du gaz, formant avec la surface intérieure du corps une cavité annulaire qu'une cloison, avec des orifices pour le passage du gaz, partage en un compartiment pour le mélange gaz-liquide, dans lequel sont placés les ensembles assurant la séparation du mélange gaz-liquide en liquide et gaz, et un compartiment pour le gaz, mis en communication avec le canal du tube, séparateur caractérisé par le fait que les ensembles de séparation sont disposés radialement et chacun d'eux est doté d'un dispositif pour l'évacuation du gaz, placé dans l'espace entre les ensembles de séparation contigus et entourant un orifice de la cloison pour le passage du gaz. Une telle disposition des ensembles de séparation permet de loger dans un même volume du séparateur une surface de séparation plus grande, gr ce à l'absence dans le séparateur de grands volumes inactifs. Suivant une caractéristique de l'invention, le dispositif pour l'évacuation du gaz est formé par la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation faisant face à la paroi latérale d'entrée de l'ensemble de séparation voisin, par une plaque quadrangulaire fixée par l'un des côtés sur toute la longueur de l'arête radiale de l'ensemble de séparation, le côté opposé étant fixé à la cloison de façon que la distance à la paroi latérale d'entrée de l'ensemble de séparation voisin soit suffisante pour l'écoulement du liquide, et par une plaque triangulaire faisant face à la surface intérieure du corps,dont un côté, le plus petit, est fixé à la cloison sur toute sa longueur,tandis que le second côté est fixé sur toute la longueur du bord vertical de la paroi latérale de sortie de lten- semble de séparation, et le troisième côté, le plus grand, est fixé sur toute la longueur du troisième côté de la plaque quadrangulaire, le quatrième coté de cette plaque étant fixé sur toute la longueur de l'autre bord vertical de la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation. Une telle réalisation du dispositif pour l'évacuation du gaz permet d'assurer,d'une part, une charge uniforme sur les chicanes, suivant la hauteur,car le dispositif partage l'espace entre deux ensembles de séparation contigus en un collecteur distributeur pour l'un des ensembles de séparation et un collecteur récepteur pour l'autre, dans lesquels, gracie à la variation de la section de passage, la vitesse axiale et la pression statique du fluide restent à peu près constantes, et d'autre part, d'assurer un écoulement complet du liquide sur la cloison. Il est avantageux de donner aux orifices de la cloison pour le passage du gaz la forme d'un secteur, dont un des côtés est juxtaposé avec le bord radial inférieur de la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation formant le dispositif d'évacuation du gaz, le second côté est juxtaposé avec le plus petit côté de la plaque triangulaire, et le troisième côté est juxtaposé avec le bord inférieur de la plaque quadrangulaire. Une telle réalisation des orifices de la cloison pour le passage du gaz permet de réduire au minimum la résistance aérodynamique opposée à l'écoulement du gaz sortant de l'ensem- ble de séparation, car presque toute la section disponible entre deux ensembles de séparation contigus est ainsi utilisée, c'està-dire que l'on assure la sortie du gaz avec la plus petite vitesse possible. Il est également avantageux que la cloison soit réalisée sous la forme d'un cône tronqué dont la petite base enserre le tube, et que la grande base soit juxtaposée avec la surface intérieure du corps. Une telle réalisation de la cloison assure une évacuation complète et allégée du liquide, grace à son écoulement naturel suivant la surface inclinée. L'invention comprend,mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire un exemple de réalisation préféré de l'invention en se référant aux dessins, dans lesquels -la figure 1 représente schématiquement un séparateur vertical conforme à l'invention, en coupe longitudinale, -la figure 2 représente la coupe II-II de la figure 1; -la figure 3 représente la coupe 111-111 de la figure 1; -la figure 4 représente la coupe IV-IV de la figure 3; -la figure 5 représente la coupe V-V de la figure 4; -la figure 6 représente la coupe VI-VI de la figure 3. Le séparateur vertical conforme à l'invention, destiné à la séparation de mélanges gaz-liquide, par exemple de la vapeur humide, comprend un corps cylindrique 1 (figure 1) avec une tubulure d'entrée 2 amenant la vapeur humide. A l'intérieur du corps est monté coaxialement un tube 3, s'achevant par une tubulure de sortie 4. Le tube 3 et la tubulure de sortie 4 servent à l'évacuation de la vapeur asséchée. Le tube 3 et la surface intérieure du corps 1 constituent une cavité annulaire 5, partagée par une cloison 6 en un compartiment 7 pour la vapeur humide et un compartiment 8 pour la vapeur asséchée, mis en communication avec le canal du tube 3. La cloison 6 est réalisée sous la forme d'un tronc de cône, afin d'assurer l'écoulement complet et allégé du liquide, grâce à sa descente naturelle sukant la surface inclinée, et elle a des orifices 9(figure 2) pour le passage de la vapeur asséchée, la petite base de la cloison 6 enserrant le tube 3, et sa grande base étant juxtaposée avec la surface intérieure du corps 1. Dans le compartiment 7 (figure 1) sont placés des ensembles de séparation 10 identiques. Ces ensembles sont disposés radialement (voir figure 3), et ont chacun, pour l'évacua- tion de la vapeur asséchée, un dispositif Il qui est placé dans l'espace entre deux ensembles 10 contigus et entoure un orifice 9 (figure 2) de la cloison 6. Une telle disposition des ensembles 10 (figure 3) permet de loger dans un même volume du séparateur une surface de séparation plus grande, grâce à l'absence de grands volumes inactifs dans le séparateur. L'ensemble de séparation 10 comprend les éléments suivants: aubes des directrices 12 (figure 4), des chicanes 13, formant des passages 14, (figure 5) pour la vapeur, une plaque perforée 15 (figure 4) des auges d'écoulement 16 et une descente d'écoulement 17 avec des orifices 18. Les aubes directrices 12 servent à la séparation préliminaire de l'eau et, en outre, en conjugaison avec la plaque perforée 15, elles assurent une charge uniforme des chicanes 13 suivant la hauteur. Les chicanes 13 servent à la séparation définitive de l'eau, les auges d'écoulement 16, à la collecte de l'eau déposée sur les chicanes 13 et à son écoulement dans la descente d'écoulement 17, à travers les orifices 18. Le dispositif Il (figure 3)pour l'évacuationde la vapeur asséchée est formé par la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation 10 (figure 6), qui est la plaque perforée 15 et fait face à la paroi latérale d'entrée de l'ensemble de séparation 10 voisin, par une plaque triangulaire 19 et une plaque quadrangulaire vrillée 20. La plaque triangulaire 19 est fixée sur toute la longueur d'un côté,le plus petit, à la cloison 6; par son deuxième côté, elle est fixée sur toute la longueur de la plaque perforée 15, et par son troisième côté, le plus grand, elle est fixée sur toute sa longueur à l'un des côtés de la plaque quadrangulaire vrillée 20. Le côté opposé de la plaque quadrangulaire 20 est fixé sur toute sa longueur à la plaque perforée 15.Le troisième côté de la plaque quadrangulaire 20 est fixé sur toute la longueur de l'arête radiale 21 de l'ensemble de séparation 10, et son quatrième côté est fixé sur toute sa longueur à la cloison 6. Le quatrième côté de la plaque 20 est fixé à la cloison 6 de telle façon qu'entre lui et la paroi latérale de l'ensemble de séparation 10 (figure 6) il reste une distance suffisante pour l'écoulement de l'eau séparée au préalable par les aubes directrices 12 (figure 4) et s'étant déposée sur les parois du corps 1 (figure 1, du tube 3 et du dispositif 11 (figure 3) pour l'évacuation de la vapeur asséchée.Quand le dispositif 11 (figure 3) pour l'évacuation de la vapeur asséchée est ainsi réalisé, la plaque quadrangulaire 20 ( figure 6) partage l'espace entre deux ensembles de séparation 10 successifs en un collecteur distributeur 22 pour l'un des ensembles de séparation 10, et un collecteur récepteur 23 pour l'autre ensemble de séparation 10. Dans le collecteur distributeur 22 et le collecteur récepteur 23 ainsi obtenus grâce à la variation de la section de passage, la vitesse axiale et la pression statique du fluide restent à peu près constantes, c'est-à-dire que la charge sur les chicanes 13 est uniforme suivant la hauteur de l'ensemble de séparation 10. Les orifices 9 (figure 2) pour le passage de la vapeur asséchée à travers la cloison 6 sont réalisés en forme de secteur. Un des côtés du secteur est juxtaposé avec le bord radial inférieur de la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation 10 (figure 1), qui est la plaque perforée 15 (figure 3); le deuxième côté est juxtaposé avec le plus petit côté de la plaque triangulaire 19 (figure 6) et le troisième, avec le bord inférieur de la plaque quadrangulaire vrillée 20. Une telle réalisation des orifices 9 (figure 2) permet d'utiliser presque toute la section disponible entre deux ensembles de séparation 10 (figure 1) pour l'évacuation de la vapeur asséchée.La résistance aérodynamique opposée à la vapeur sortant de l'ensem- ble de séparation est ainsi réduite au minimum, grace à la petite vitesse de sortie de la vapeur asséchée, qui est abaissée jusqu'à la plus petite valeur possible. Sur le tube 3, au-dessous de la cloison 6, est fixé un collecteur annulaire 24 pour l'eau déposée. Un tube 25 connecté à ce collecteur en évacue l'eau. Le séparateur vertical fonctionne de la façon suivante. La vapeur humide amenée par la tubulure d'entrée 2 (figure 1) entre dans le compartiment 7 de vapeur humide de la cavité circulaire 5, d'où elle va aux collecteurs distributeurs 22 (figure 6) des ensembles de séparation 10. Dans les collecteurs distributeurs 22, grâce à la variation de la section de passage suivant la hauteur de l'ensemble de séparation 10, la vitesse axiale et la pression statique de la vapeur humide restent à peu près constantes. Ensuite la vapeur passe entre les aubes directrices 12 (figure 4) en changeant sa direction de circulation verticale, ascendante, en direction horizontale. Jusqu'à environ 50 % de l'eau se trouvant dans la vapeur s'en sépare alors et descend sur la cloison 6 (figure 1), pour aller ensuite au collecteur annulaire 24. Plus loin la vapeur arrive aux chicanes 13 (figure 4) où s'achève son assèchement. La vapeur humide parcourt les passages 14 (figure 5), dans lesquels, grace aux changements de direction multiples, l'eau se dépose sur les chicanes 13 (figure 4) et descend jusqu'aux auges d'écoulement 16, d'où, à travers les trous 18, elle entre dans les descentes 17 et va au collecteur annulaire 24 (figure 1), tandis que la vapeur asséchée sort à travers les orifices de la plaque perforée 15 (figure 4), arrive dans le collecteur récepteur 23 (figure 6) où sa direction de circulation horizontale est changée en direction verticale, descendante. Dans le collecteur récepteur 23, grace à la variation de la section de passage, la vitesse axiale et la pression statique de la vapeur restent à peu près constantes. Ensuite la vapeur passe à travers les orifices 9 (figure 2) de la cloison, arrive dans le compartiment 8 (figure 1) de vapeur asséchée, puis, via le canal du tube 3 et de la tubulure 4, elle sort du séparateur. L'eau ramassée dans le collecteur annulaire 24 sort aussi du séparateur, par le tube 25. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. -REVENDICATIONS 1.- Séparateur vertical pour la séparation de mélange gazliquide, à l'intérieur du corps cylindrique duquel est placé coaxialement un tube pour l'évacuation du gaz, formant avec la surface intérieure du corps une cavité annulaire qu'une cloison, avec des orifices pour le passage du gaz, partage en un compartiment pour le mélange gaz-liquide, dans lequel sont placés les ensembles assurant la séparation du mélange gaz-liquide en liquide et gaz, et un compartiment pour le gaz, mis en communication avec le canal du tube, caractérisé par le fait que les ensembles de séparation sont disposés radialement et chacun d'eux est doté d'un dispositif pour l'évacuation du gaz, placé dans l'espace entre les ensembles de séparation contigus et entourant un orifice de la cloison pour le passage du gaz. 2.- Séparateur vertical selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif pour l'évacuation du gaz est formé par la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation faisant face à la paroi latérale d'entrée de l'ensemble de séparation voisin, par une plaque quadrangulaire fixée par l'un des côtés sur toute la longueur de l'arête radiale de l'ensemble de séparation, le côté opposé étant fixé à la cloison de façon que la distance à la paroi latérale d'entrée de l'ensemble de séparation voisin soit suffisante pour l'écoulement du liquide, et par une plaque triangulaire faisant face à la surface intérieure du corps, dont un côté, le plus petit, est fixé à la cloison sur toute sa longueur, tandis que le second côté est fixé sur toute la longueur du bord vertical de la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation,et le troisième côté, le plus grand, est fixé sur toute la longueur du troisième côté de la plaque quadrangulaire, le quatrième côté de cette plaque étant fixé sur toute la longueur de l'autre bord vertical de la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation. 3.- Séparateur vertical selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les orifices de la cloison pour le passage du gaz sont réalisés en forme de secteur, dont un des côtés est juxtaposé avec le bord radial inférieur de la paroi latérale de sortie de l'ensemble de séparation formant le dispositif d'évacuation du gaz, le second côté est juxtaposé avec le plus petit côté de la plaque triangulaire, et le troisième côté est juxtaposé avec le bord inférieur de la plaque quadrangulaire. 4.- Séparateur vertical selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la cloison est réalisée sous la forme d'un cône tronqué dont la petite base enserre le tube, et la grande base est juxtaposée avec la surface intérieure du corps.