Brevet FR2368303A1 — publié le 19780519

La présente invention concerne la séparation par centrifugation d'un liquide entraîné par un gaz. Plus spécialement, elle concerne la séparation d'une huile et de l'eau d'un gaz naturel. Dans la technique antérieure, on connaît un certain nombre de formes de réalisation comportant une chambre cylindrique en deux parties, une partie inférieure conique et une partie supérieure. lie mélange de gaz et de liquide est injecté tangentiellement dans la partie inférieure de façon à obtenir un mélange de gaz et de liquide qui tourne hélicoidalement. Un tube axial permet au gaz de s'élever en direction d'un conduit de sortie, tandis que le liquide est dirigé vers le bas contre la surface interne de la chambre et est évacué au fond de la partie inférieure. lies dispositifs antérieurs sont limités quant aux quantités de liquide qu'ils peuvent traiter. La forme de réalisation selon l'invention peut traiter de grands volumes de liquide. La présente invention a principalement pour objet un appareil autonome dans lequel un mélange d'un gaz et d'une huile entraînée peut être introduit sous pression et duquel le liquide peut être évacué du fond et un gaz essentiellement exempt de liquide peut s'échapper du sommet. Selon ses caractéristiques essentielles, l'invention surmonte les inconvénients de la technique antérieure en utilisant une enveloppe cylindrique orientée verticalement qui est divisée en trois chambres par deux cloisons transversales espacées. lie mélange de gaz et de liquide est introduit dans la chambre inférieure par une ouverture voisine de la cloison transversale inférieure et le mélange est animé d'un mouvement tangentiel tres rapide. Dans ce tourbillon, la plus grande partie du liquide est projetée vers l'extérieur par centrifugation et adhère à la surface interne de la paroi externe et, en descendant, se rassemble au fond de la chambre inférieure.Un tube axial å tourbillon traverse deux cloisons transversales d'une façon étanche et- le flux tournant du gaz et du liquide entraîné monte le long du tube axial dans la chambre supérieure. Ce tube est divi sé en deux et un étroit intervalle sépare les deux parties du tube de façon qu'à mesure que le gaz monte, le liquide projeté contre la paroi passe avec une faible quantité de gaz à travers l'intervalle dans la seconde chambre,tandis que le reste du gaz continue à monte dans la chambre supérieure. L'extrémité supérieure du tube axial est reliée d'une façon étanche à un premier extracteur de brouillard. Celui ct constitue un système cylindrique à travers lequel le gaz doit passer dans une direction généralement radiale. En traversant l'extracteur de brouillard, ] e gaz suit un trajet sinueux et est dévié par de nombreux obstacles. En venant au contact de ces surfaces, les gouttelettes de liquide sont captées et retenues par lesdits obstacles dont les surfaces sont mouillées et la pellicule de liquide permet donc aux gouttelettes détachées de liquide de se combiner sur les parois et de descendre au fond de l'extracteur de brouillard.Des dispositifs sont prévus pour acheminer le liquide de haut en bas dans la seconde chambre ou chambre centrale et de là, dans la chambre inférieure d1où le liquide rassemblé est évacué. lie gaz relativement sec s'échappant du premier extracteur est mélangé au gaz qui s'est écharpé par l'intervalle du tube à tourbillon, puis est transféré dans un second extracteur de brouillard pour être finalement évacué par une ouverdure ménagée au sommet de l'enveloppe. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples mollement limitatifs et sur lequel la figure 1 est une coupe verticale d'une forme de réalisation de l'invention la figure 2 représente un détail de la partie inférieure de l'appareil, au moyen duquel le mélange de gaz et de liquide admis est animé d'un mouvement tangentiel la figure D représente un détail d'une partie de l'extracteur de brouillard la figure 4 est une coupe verticale d'une autre forme de réalisation de l'invention comportant un second type d'extracteur de brouillard ; et la figure 5 représente un autre perfectionnement comprenant un système à aube torsadée à l'intérieur du tube axial pour communiquer au gaz un plus grand mouvement tourbillonnaira. En se référant maintenant en particulier à la figure 1, on a représenté une forme de réalisation de l'invention qui est désignée d'une façon générale par le numéro de référence 10. Elle comporte une enveloppe cylindrique 12 orientée verticalement qui est divisée en trois compartiments ou chambres, une chambre inférieure 14 séparée d'une chambre centrale 16 par une cloison transversale 20 et une chambre supérieure 18 séparée de la chambre centrale 16 par une seconde cloison transversale 22. Bye mélange de gaz et d'huile entraîné est introduit par un conduit 24 dans la partie supérieure de la chambre inférieure 14. Comme on le voit sur la figure 2, qui représente un détail de cette partie de l'appareil en plan, le gaz entrant par le conduit 24 est dirigé tangentiellement par un déflecteur 26. La surface du déflecteur est inférieure à celle du conduit 24 de façon que le mélange admis soit animé d'un mcuvement de rotation très rapide à liintérieur de la chambre inférieure. Ceci est indiqué d'une façon générale par les flèches de circulation 28 sur la figure 1. Sous l'effet de ce mouvement hélicoldal circulaire, la force centrifuge projette les gouttelettes plus lourdes de liquide vers l'extérieur de façon qu'elles soient recueillies sur la paroi interne de l'enveloppe 12. lie liquide qui se rassemble sur la paroi et descend finalement le long de cette dernière dans la partie inférieure de l'enveloppe 12 est évacué par des conduits 30 et/ou 32 commandés par des robinets 33 et 34 actionnés par des commandes A, B sensibles au niveau du liquide ou par d'autres dispositifs connus en pratique. lie mélange admis de gaz et d'huile est sous pression,de sorte qutil se produit une augmentation de la vitesse du mélange lorsqu'il s'écoule dans la chambre, en permettant ainsi le mouvement hélicoSdal rapide. Un tube axial ou un tourbillon 38 traverse d'une fa çon étanche les première et seconde cloisons transversales 20 et 22. Ce tube 38 est interrompu à l'intérieur de la chambre centrale 16 et les deux parties sont alignées longitudinalement et espacées par des supports de façon à maintenir un petit intervalle 40 entre les deux extrémités du tuyau. lie dispositif de support présente des trous d'écoulement dont la surface est supérieure à celle de l'intervalle 40. Un autre dispositif de support est constitué par des barres 37 profilé-es en U espacées autour du tuyau. Des espaces compris entre les barres permettent au liquide de passer dans la chambre 16. Le gaz qui monte sous l'effet de la pression d'admission et qui tourne rapidement comme indiqué par les flèches 45 projette une quantité supplémentaire de liquide vers l'extérieur contre la paroi interne du tube 38 le long de laquelle ledit liquide peut couler dans la chambre inférieure ou bien, s'il est entraîné de bas en haut par le gaz, il s'échappe par #'intervaîle 40 pour passer dans la chambre centrale 16. Cette chambre est soumise à une pression légèrement plus basse que le tube 38 mais plus élevée que la chambre 18 au sommet du séparateur à cause d'un conduit de dérivation 23 qui relie la chambre 16 à la chambre 18 en permettant à une faible quantité de gaz de contourner le tube 39 et l'extracteur inférieur 44 et en maintenant la chambre 16 à une pression plus basse à cause de la chute de pression à travers le fond de l'extracteur de brouillard 44. Un autre mode de génération d'une plus faible pression pour permettre à la chambre 16 de fonctionner à une pression plus basse est représenté sur la figure. 5 sur laquelle un conduit 59 est relié à la plus petite surface du déflecteur tangentiel 26" où la pression est plus faible à cause de la plus grande vitesse d'écoulement du fluide. Ceci a pour but de permettre également à l'humidité contenue dans le gaz dévié d'être absorbée dans le système d'admission. lie gaz ascendant, comme indiqué par la flèche 46, continue à monter dans le tube 39 et passe à travers deux extracteurs de brouillard 43, 44. l'extracteur inférieur 44 est du type dans lequel le gaz passe radialement vers l'extérieur dans l'espace de la chambre 18. Dans cet espace, le gaz dévié provenant de l'intervalle 40 en montant par le conduit 23, se mélange avec le gaz provenant du tube 39 qui traverse l'extracteur 44 et tous deux entrent dans le second extracteur de brouillard en passant radialement vers l'intérieur, puis s'échappent par un conduit de sortie 50. lies extracteurs 43 et 44 sont des chambres qui sont délimitées par des plaques circulaires parallèles, dont une partie est représentée sur la figure 3. Ces plaques sont supportées en position coaxiale et parallèle. Des trous sont percés dans une région annulaire des plaques. Plusieurs tiges de diverses sections sont introduites dans ces trous et soudées aux plaques. Lesdites tiges peuvent avoir la forme de cornières, de bandes ou de cylindres, comme voulu. Elles sont disposées selon des configurations telles que le gaz se déplaçant radialement vers l'extérieur ou vers l'intérieur doit suivre un trajet sinueux et venir en contact intime avec les parois de ces obstacles. La figure 3 montre la position des cornières pour un fluide circulant radialement vers l'extérieurss comme indiqué par les flèches 65. Pour le second extracteur 43, la cornière serait tournée de 180t de façon qu'elle offre le meme type d'obstacle au gaz circulant radialement vers l'intérieur. Quelle que soit la quantité de liquide qui est encore entraînée par le gaz, el ] e est séparée par contact avec ces obstacles. lie métal qui les constitue est de nature à être mouillé par le liquide de façon que l'huile forme une pellicule sur la surface des objets et que le liquide puisse descendre par gravité jusqu'au fond des extracteurs 43 et 44 en passant par les trous des plaques 64 et par des tubes 42 jusqu'au fond de la chambre 18. lies obstacles angulaires sont placés dans les trous percés dans les plaques 64 de façon que le liquide qui se rassemble sur eux puisse descendre à travers les plaques 64, la plaque 29 et le long des conduits 42 jusqu'au fond de la chambre 18. Le liquide peut descendre du fond de la chambre 18 par un conduit 52 scellé dans la cloison 22, puis dans la chambre centrale 16. lie gaz relativement sec s'échappe alors par le conduit de sortie 50. A cause de la chute de pression qui est nécessaire pour que le gaz 46 suive le trajet sinueux dans les extrac teurs de brouillard, la seconde chambre 16 est à une pression supérieure à celle de la chambre 18 et de la sortie 50. lie gaz passe en totalité par un extracteur de brouillard~ Il ne faut pas que le gaz dévié puisse passer de la chambre centrale directement dans le conduit de sortie 50. Ainsi, l'extracteur supérieur 43 est séparé de l'extracteur inférieur 44. lie gaz doit passer entièrement dans l'extracteur 43 qui est du type à circulation de l'extérieur vers l'intérieur. Le gaz passant par le conduit 38, déduction faite du gaz dévié par l'intervalle 40, passe par le tube 39 et l'extracteur 44 qui est du type à circulation de l'intérieur vers l'extérieur. Le tube 52 à écoulement descendant ne peut transférer que le liquide. Son extrémité inférieure est fermée d'une façon étanche par une masse de liquide dont le niveau est désigné par 54. Ce liquide peut descendre dans la chambre inférieure par un conduit 56 dont la partie d'admission est fixée d'une façon étanche dans la cloison 20 et se prolonge au-dessus d'elle jusqu'à la surface 54 du liquide, en formant ainsi un déversoir. Le conduit 56, qui a une forme hélicoïdale pour ne pa#s faire obstacle au tourbillon formé par le mélange de gaz et de liquide, transporte le liquide de la surface 54 dans la chambre inférieure 14 d'où il est évacué. Une chicane d'immobilisation 36 est destinée à empecher la circulation et la rotation du liquide dans la chambre inférieure et établit une zone calme pour les commandes A et B sensibles au niveau du liquide. Les deux commandes A et B et les deux conduits de sortie 30 et 32 sont destinés à séparer l'huile et l'eau qui, initialement,pouvaient être entraînées dans le mélange gazeux à traiter. L'intervalle 40 du tube 38 est constitué en fait de deux tubes 38 et 39 dont les diamètres internes sont légèrement différents. Le tube 39 est un peu plus petit et son extrémité inférieure est biseautée de la façon représentée. La raison pour laquelle le diamètre est plus petit est qu'à mesure que le gaz 45 monte, il peut entraîner du liquide qui mouille la surface interne du tube 38. lie plus petit diamètre et le bord effilé du tube 39 ont ainsi tendance à séparer le liquide et à le diriger à travers l'intervalle 40. lies deux parties du tube sont supportees par les barres 37 auxquelles elles sont soudées. On va se référer maintenant à la figure 4 qui représente Une seconde forme de réalisation analogue à celle de la figure 1, excepté que l'extracteur de brouillard 37 est d'un type différent. Cet extracteur comporte un tube central 38' autour duquel est enroulée une happe de matière fibreuse 53, présentant de grands interstices entre les fibres, de façon que le gaz puisse pénétrer dans lesdits interstices et faire en sorte que les particules de liquide se déposent sur les fibres pour en mouiller la surface et s'écouler vers le bas au fond de la chambre sur la face supérieure de la cloison 22'. Cette dernière présente une ouverture par laquelle le liquide peut descendre par l'intermédiaire d'un conduit 52' dans la seconde chambre 16' où il se rassemble sur la face supérieure de la première cloison 20' jusqu'à un niveau désigné par 54.Un orifice de détournement du gaz est ménagé en 49 pour permettre au gaz passant par l'intervalle 40' de contourner ltextracteur de brouillard 53. Un extracteur de brouillard 51 est destiné à epurer le gaz passant par l'orifice 49. Comme dans le cas de la figure 1, une paroi cylindrique 58', correspondant à la paroi 58, entoure l'extrémité inférieure du tube 38. Cette paroi favorise la formation du tourbillon rapide 45 au fur et à mesure qu'il monte dans le tube 38 et protège celui-ci du liquide qui pourrait y être entralné. La figure 5 représente une autre variante dans laquelle un mince ruban métallique est mis sous forme torsadée de façon que le gaz circulant rapidement soit animé d'un mouvement rotatif supplémentaire au fur et à mesure qu'il monte dans le tube 38". Il va de soi que l'appareil et le procédé décrits peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Séparateur centrifuge destiné à séparer un liquide d'un gaz, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe cylindrique orientée verticalement ayant des parois supérieure, inférieure et cylindrique, ladite enveloppe étant divisée en trois chambres, une première chambre inférieure séparée d'une deuxième chambre centrale par une première cloison transversale et une troisième chambre supérieure séparée de la deuxième chám- bre par une seconde cloison transversale, un conduit d'entrée débouchant dans la première chambre près de la première cloison, par lequel un mélange de gaz et de liquide est introduit dans la première chambre et un dispositif pour communiquer un mouvement tangentiel au mélange dans la première chambre, un dispositif pour évacuer le- liquide séparé du fond de la première chambre, un tube axial traversant d'une façon étanche les première et seconde cloisons, le tube étant en deux parties légèrement espacées pour former un intervalle étroit dans la paroi du tube, ledit intervalle se trouvant dans la deuxième chambre, un dispositif utilisant l'écoulement du mélange de gaz et de liquide dans le séparateur pour créer une zone de basse pression dans la deuxième chambre, un conduit dans l'enveloppe cylindrique qui établit une communication entre ladite zone de basse pression et la troisième chambre, et un #dispositif destiné à évacuer le gaz de la troisième chambre en le faisant passer à travers un extracteur de brouillard. 2. Séparateur centrifu#ge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extracteur comporte deux disques parallèles et espacés et plusieurs éléments allongés orientés axialement disposés à distance les uns des autres dans une partie an hilaire des disques et fixés entre ces derniers, de façon qu'en circulant radialement contre lesdits éléments, le gaz soit dévié par plusieurs d'entre eux. 3. Séparateur centrifuge selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif destiné à transférer le liquide de l'intérieur de l'extracteur de la troisième chambre de haut en bas dans la deuxième chambre. 4. Séparateur centrifuge selon la revendication 1, caiactérisé en ce qu il comporte un conduit destiné à transférer le liquide de la deuxième chambre de haut en bas dans la première chambre. 5. Séparateur centrifuge selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une aube torsadée à l'intérieur du tube axial. 6. Séparateur centrifuge selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif destiné à détourner une petite partie de la totalité du gaz de la deuxième dans la troisième chambre. 7. Séparateur centrifuge selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour épurer le gaz détourné. 8. Séparateur centrifuge selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit conduit est constitué d'un tropplein hélicoïdal ayant une configuration conforme au tourbillon dans la chambre inférieure. 9. Procédé de séparation d'un mélange de liquide et de gaz, caractérisé en ce qu'if. consiste à introduire circonférentiellement le mélange de liquide et de gaz sous pression dans une première chambre pour provoquer la séparation initiale de quantités importantes du liquide et du gaz de manière que le gaz et une faible quantité de liquide forment un tourbillon axial central très rapide, à faire passer Je tourbillon du gaz et de la faible quantité de liquide par une tube dans une deuxième chambre,le tube présentant un intervalle qui le sépare en deux et qui communique avec une troisième chambre située entre les première et deuxième chambres, à faire circuler le gaz dans un premier extracteur de brouillard de l'intérieur vers l'extérieur, puis dans un second extracteur de brouillard de l'extérieur vers l'intérieur pour passer finalement, dans le conduit de sortie, à maintenir une différence de pression à travers le premier extracteur de façon à créer une zone de pression inférieure dans la deuxième chambre, à établir une communication entre ladite zone de pression inférieure et la troisième chambre pour provoquer l'évacuation d'une partie dudit gaz et du liquide séparé recueilli à l'intérieur du tube par ledit intervalle de ce dernier dans la troisième chambre, à séparer la majeure partie du gaz et du liquide introduits dans la troisième chambre et, grâce à la zone de faible pression, à faire circuler ] .e gaz séparé dans la deuxième chambre pour lui faire tra#verser le second extracteur de brouillard, et à rassembler les liquides évacués des deuxième et troisième chambres pour les transférer finalement dans la première chambre de manière à les évacuer.