Brevet FR2491353A1 — publié le 19820409

La présente invention concerne un séparateur à cyclone à écoulement inverse, perfectionné et un procédé pour la séparation de particules d'un courant de gaz brut. Les séparateurs à cyclone sont des dispositifs bien connus pour éliminer les particules d'un courant de gaz. En principe,un courant de gaz brut chargé de particules est introduit tangentiellement dans une zone de séparation cyclonique de sorte que les particules subissent une accélé- ration centrifuge dans l'écoulement turbulent qui s'ensuit. Les particules sont recueillies sur la paroi extérieur de la zone de séparation et un gaz propre résultant sort par un canal central d'évacuation. On a montré qu'un court-circuitage du gaz brut chargé de particules de l'entrée du cyclone vers le canal d'éva- cuation,contournant ainsi le corps principal du séparateur à cyclone, diminue la performance des cyclones à écoulement inverse classique. Le brevet des Etats Unis no 4.212 653 décrit un séparateur à cyclone à écoulement inverse per- fectionné qui évite cette source de dégradation des per- formances en utilisant un écran d'air propre entre un écoulement de gaz brut et un canal de sortie. Néanmoins, ce séparateur à cyclone perfectionné présente encore la caractéristique de la séparation centrifuge qui est un-rendement de séparatimn de particules qui diminue lorsque la masse de particules diminue. En conséquence, la présente invention a pour but d'améliorer la performance de séparateurs à cyclone à écoulement inverse. Plus particulièrement, la présente invention a pour objet d'augmenter la caractéristique du procédé de séparation centrifuge de séparateursà cyclone à écoulement inverse par l'emploi de forcesélectrostatiques. En correspondance, la présente invention a encore pour but d'améliorer le rendement de séparation des séparateurs à cyclone à écoulement inverse, incluant une capacité améliorée de séparation des particules relativement petites d'un courant de gaz brut. D'une manière générale, la présente invention fournit une amélioration pour accroître le rendement de séparation des procédés et appareils de séparation à cyclone à écou- lement inverse. Un tel séparateur comporte une zone de séparation cyclonique disposée en communication entre une entrée de gaz brut induisant une turbulence et un canal d'évacuation disposé radialement vers l'intérieur. Selon la présente invention, on prévoit un moyen pour produire une décharge couronne dans la zone de séparation cyclonique adjacente extérieure à l'entrée du canal d'évacuation. Dans une réalisation recommandée, ce moyen comprend une tige disposée co-axialement dans le canal d'évacuation et compor- tant une partie de production de décharge couronne se prolongeant dans la zone de séparation cyclonique. On prévoit un dispositif électrique pour appliquer une différence de potentiel convenable entre la partie de production de la décharge couronne de la tige et la paroi extérieure de la zone de séparation cyclonique afin de permettre la formation entre à la fois d'un courant d'effluve et d'un champ de force électrostatique. Dans la mise en oeuvre du procédé de séparation associé, la matière particulaire contenue dans le gaz brut est chargée par contact avec le courant d'effluve et les particules chargées résultantes sont déplacées du gaz brut vers la paroi extérieure de la zone de séparation par les forces électrostatiques. De cette manière, on améliore le rendement de séparation d'un sépara- teur à cyclone à écoulement inverse associé et en particulier en ce qui concerne les particules relativement petites généralement non séparées par les forces centrifuges d'un séparateur à cyclone à écoulement inverse classique. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue en coupe longitudinale illustrant un séparateur à cyclone à écoulement inverse à écran d'air selon une réalisation de la présente invention; Figure 2, une vue en coupe transversale illustrant une partie d'électrode de production des décharges couronnes du séparateur à cyclone de la figure l faite suivant la ligne 2-2 en regardant dans la direction des flèches; Figure 3, une vue en coupe longitudinale montrant une autre réalisation de la présente invention; Figure 4, une vue en coupe transversale d'un canal d'évacuation représenté sur la figure 3 faite suivant la ligne 4-4 et en regardant dans la direction des flèches; et Figure 5, une vue en coupe transversale d'une partie de production de décharge couronne du canal de sortie décrit à la figure 3 faite suivant la ligne 5-5 et en regardant dans la direction des flèches. Comme le montre les figures l et 2 un séparateur à cyclone à écoulement inverse classique comprend une entrée de gaz brut l qui impartit à un gaz chargé de particules un mouvement turbulent, lorsqu'il pénétre dans une zone de séparation cyclonique 2. La turbulence impartie au gaz tend à concentrer de façon centrifuge lamatière particu- laire près de la paroi extérieure 3 de la zone de séparation 2. On prévoit avantageusement un bouchon de base 4 également appelé écran à vortex dans la partie inférieure de la zone de séparation 2 au-dessus d'une trémie de collecte appropriée 5 pour la matière particulaire séparée. Un canal d'évacuation 6 est disposé pratiquement coaxialement dans la zone de séparation 2 à l'opposé du bouchon de base 4. Les composants ci-dessus d'un séparateur à cyclone à écoulement inverse sont bien connus dans la technique comme le montre le brevet des Etats-Unis n0 4 212 653. Dans le séparateur représenté sur la figure 1, une seconde entrée inductrice de turbulence comportant une structure d'entrée 8 définit une zone 9 pour l'introduction d'un gaz d'écran propre dans la zone de séparation 2 comme cela est décrit plus en détail dans le brevet cité précé- demment. De cette manière, le court-circuitage du gaz brut chargé de particules de l'entrée 1 vers le canal d'évacuation 6 est pratiquement évité. Dans la présente invention on munit le cyclone à écou- lement inverse d'un moyen de production d'une décharge couronne dans la zone de séparation 2. Dans la réalisation représentée à la figure 1, le moyen de production de la décharge couronne comporte une électrode en forme de tige disposée coaxialement dans le canal d'évacuation 6. L'électrode 10 comporte une partie de production de la décharge couronne il se prolongeant hors de l'entrée 12 du canal d'évacuation 6 jusque-dans la zone de séparation cyclonique 2. La longueur de la partie de production de la décharge couronne se prolongeant jusque dans la zone de séparation 2 est variable. Cependant, si elle se prolonge jusqu'à être adjacente à l'écran à vortex 4 ou à la partie de paroi tronconique 13, le bout 14 de la partie de production de décharge couronne de l'électrode devra être épointée pour réduire avantageusement le risque d'arc lors de l'appli- cation d'un potentiel électrique entre ces éléments. Comme le montre mieux la figure 1, la partie de pro- duction de la décharge couronne 11 dans la réalisation représentée, comporte une partie rainurée longitudinalement de l'électrode 10. Cependant, il faut comprendre que la présente invention n'est pas limitée à une telle configura-- tion. Ainsi, la partie de production de la décharge couronne 11 peut comporter une partie rainurée en hélice de l'électro- de en forme de tige 10 ou une partie de celle-ci autrement configurée pour permettre la formation de la décharge couronne. En conséquence, tel qu'utilisé ici, le terme "partie de production de la décharge couronne"décrit une partie d'une électrode convenablement configurée pour produire à la fois un champ électrostatique et un écoulement rayonnant d'ions chargeant des particules lorsqu'un gradient de tension convenable est appliqué entre la partie de production de la décharge couronne 11 et la paroi extérieure 3 de la zone de séparation cyclonique 2. Le moyen de production de la décharge couronne tel que défini ici comporte également un dispositif électrique pour fournir un grandient de tension de production de décharge couronne entre la partie de production de la décharge couronne 11 et la surface de la paroi extérieure de la zone de séparation 3. Comme représenté, ce dispositif électrique comporte une source de tension élevée 15 reliée électrique- ment à la partie de production de la décharge couronne 11; 249 1353 un moyen de mise à la masse convenable 16 pour la paroi extérieure 3; et une isolation électrique classique 17 suffisante pour permettre la production d'un gradient de tension élevée entre la partie de production de la décharge couronne 11 et la partie de paroi à la masse 3. La polarité de la source de tension élevée 15 peut être soit positive soit négative. De même, le cas échéant, pour une situation donnée, la source de tension élevée 15 peut être alternati- vement électriquement reliée à la paroi extérieure 3 et la partie de production de la décharge couronne, mise convena- blement à la masse. La réalisation représentée à la figure 3 comprend une partie de production de la décharge couronne 11 avec une configuration différente de la figure 1 en ce sens que la partie 11 comprend au moins une partie du canal d'évacuation 6. Plus particulièrement, la partie de production de la décharge couronne 11 comprend une partie extérieure du canal d'évacuation 6 se prolongeant dans la zone de sépara- tion cyclonique 2. Comme le montre en détail la figure 5, la partie de production de la décharge couronne illustrée 11 comporte deuxbagues 18 et 19 pourvues de saillies pointues se prolongeant au-delà de la surface extérieure du canal d'évacuation 6. Ces saillies représentées aux figures 3 et sont agrandies sur l'illustration, et seraient généralement d'une dimension plus petite par rapport au canal d'évacuation 6. Bien sûr, la présente invention n'est pas limitée à la configuration représentée de la partie de production de la décharge couronne 11, et peut comporter d'autres configurations comme indiqué précédemment. De même, la liaison électrique représentée sur la réalisation de la figure 3 peut également être changée. Comme on le voit peut être mieux sur la figure 4, la source de tension 15 est reliée directement à un canal d'évacuation électriquement conducteur 6 comme en 21. De cette manière, la partie de production de la décharge 11 de la figure 3 est électriquement reliée à la source 15 par le canal16. En variante, la partie 11 pourrait être isolée du canal 6 et directement reliée à la source de tension 15. Lors du fonctionnement du séparateur à cyclone à écoulement inverse selon la présente invention, on introduit un gaz brut chargé de particules par l'entrée 1 et il lui est imparti une turbulence comme indiqué par les flèches 20 avant l'introduction de ce gaz brut dans la zone de séparation 2. La turbulence impartie au gaz tend à concentrer de façon centrifuge les particules de manière adjacente a la paroi extérieure 3 de la zone de séparation 2. Le gaz turbulent s'écoule vers le bas dans la zone de séparation 2, ce qui assure l'élimination de la matière particulaire séparée de la paroi extérieure 3 dans la trémie de collecte des parti- cules 5. La direction de l'écoulement gazeux turbulent est inversée dans la partie inférieure de la zone de séparation 2 adjacente au bouchon de base 4 et est retiré du sépara- teur par le canal d'évacuation 6. Dans le fonctionnement du séparateur à cyclone à écran d'air représenté à la figure 1, un courant de gaz écran relativement propre pénètre dans la zone de séparation 2 par la zone d'introduction disposée à l'intérieur 9 après avoir été imparti d'un mouvement de turbulence dans l'entrée 7. Comme plus complètement décrit dans le brevet précité, cet écoulement turbulent protège effectivement l'entrée 12 du canal d'évacuation d'un écoulement de court-circuit possible du gaz brut de l'entrée 1, améliorant ainsi la performance du séparateur. On a observé que dans les systèmes de séparation à cyclone à écoulement inverse, dans lesquels la zone de séparation 2 est pourvue d'un champ électrostatique et le gaz brut introduit par l'entrée 1 contient de la matière particulaire préchargée, le rendement de séparation a été moindre que celui théoriquement obtenable. Ce rendement diminué est, on le présume le résultat de la perte de charge des particules due aux effets de paroi dans le cyclone à écoulement inverse. Dans le fonctionnement de la présente invention, le gaz brut introduit par l'entrée inductrice de turbulence 1 peut comporter de la matière particulaire non chargée. La séparation centrifuge des particules typique des séparateurs à cyclone est améliorée dans la fonctionnement de la présente invention en prévoyant une différence de potentiel entre la partie de production de la décharge couronne 11 et la surface de la paroi extérieure 3 de la zone de séparation 2, grâce à quoi on produit un écoulement rayonnant d'ions chargeant les particules. La matière particulaire s'écoulant à travers ce flux d'ions est chargée par eux. La charge résultante sur les particules et le champ électrostatique radial entre la partie de production de la décharge couronne 11 et la paroi 3 sert à déplacer la matière particulaire de l'écoulement gazeux et à améliorer les tendances de migration vers l'extérieure des particules en direction de la paroi 3 sous l'influence des forces centrifuges dans la zone de séparation 2. Cette migration améliorée est particulièrement notable en ce qui concerne les petites particules qui sont générale- ment moins affectées par la séparation centrifuge comme indiqué précédemment. De cette manière, on améliore la séparation globale. De plus, la perte de charge des parti- cules due aux effets de paroi est évitée dans la présente invention par la présence continue du flux d'ions de charge des particules provenant de la partie de production de la décharge couronne 11. Bien évidemment, il faut noter que charger des particules dans un courant de gaz brut avant l'introduction du courant dans l'entrée 1 peut améliorer la performance de séparation de la présente invention. Dans une réalisation de la présente invention qui n'a pas été représentée sur les figures, on munit avantageusement le séparateur à cyclone à écoulement inverse de la figure 1 avec un dispositif électrique supplémentaire pour effectuer la formation d'un second gradient de tension convenable (comme décrit ci-dessous) entre la structure d'entrée 8 définissant la zone d'introduction du gaz écran 9 et la paroi extérieure 3 de la zone de séparation 2. Ce dispositif électrique, bien évidemment, comprend une isolation électri- que classique entre la structure 8 et la paroi 3. Ce second gradient de tension est choisi pour être compatible avec le premier gradient de tension entre la partie de production de la décharge couronne il et la paroi extérieure 3 afin d'éviter une interférence par la structure 8 avec la décharge couronne et le champ électrostatique associé au premier gradient de tension. En conséquence, le dispositif électrique supplémentaire est de préférence choisi pour fournir un gradient de tension secondaire pratiquement égal au gradient de tension primaire tel que mesuré sur la struc- ture 8. Ainsi, la strucutre 8 serait pratiquement électrique- ment invisible pour les particules chargées pendant leur migration électrostatiquement induite vers la paroi 3. REVENDICATIONS 1. Séparateur à cyclone à écoulement inverse caracté- risé en ce qu'il comporte une entrée de gaz brut inductrice de turbulence (1), un canal d'évacuation (6) disposé radiale- ment à l'intérieur, une zone de séparation cyclonique (2) dis- posëe en communication avec l'entrée de gaz brut et le canal d'évacuation, et un moyen (10) pour produire une décharge couronne dans cette zone de séparation cyclonique. 2. Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour produire une décharge cou- ronne dans la zone de séparation cyclonique à l'extérieur de l'entrée du canal d'évacuation et adjacent à celle-ci. 3. Séparateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de production de la décharge couronne comprend: une électrode (10) disposée pratiquement coaxialement dans le canal d'évacuation (6) et ayant une partie de produc- tion de la décharge couronne (11) se prolongeant hors de l'entrée du canal d'évacuation jusque dans la zone de sépara- tion cyclonique (2); et, un dispositif électrique (15) pour permettre la formation d'une décharge couronne entre cette partie de production de la décharge couronne et une paroi de la zone de séparation cyclonique. 4. Séparateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie de production de la décharge couronne comprend au moins une projection s'étendant hors de la surface exté- rieure de l'electrode. 5. Séparateur selon la revendication 3 ou 4, caracté- risé en ce que l'électrode se compose d'une tige (10) et en ce que la partie de production de la décharge couronne (11) est une partie rainurée de cette tige. 6. Séparateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie de production de la décharge couronne est une partie pratiquement longitudinalement rainurée de la tige. 7. Séparateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie de production de la décharge couronne est une partie rainurée en hélice de la tige. 8. Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une seconde entrée (8) inductrice de turbulence pour un milieu gazeux exempt de produit contaminant, cette seconde entrée compor- tant une structure d'entrée définissant une zone d'introduc- tion (9) disposée radialement à l'intérieur de l'entrée de gaz brut et radialement à l'extérieur de l'entrée du canal d'évacuation (6);,et un second dispositif électrique pour permettre la formation d'un gradient de tension entre la structure d'entrée et une paroi de la zone de séparation cyclonique. 9. Séparateur selon l'unne quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le moyen de production de la décharge couronne (11) est une partie extérieure du canal d'évacuation (6) disposée dans la zone de séparation cyclo- nique (2), et le dispositif électrique permet la formation de décharge couronne entre cette partie de production de la décharge couronne et une paroi (3) de la zone de séparation cyclonique. 10. Séparateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la partie du canal produisant la décharge couronne (11) comprend au moins une projection s'étendant hors de la surface extérieure de ce canal d'évacuation (6) dans la zone de séparation cyclonique (2). 1i. Séparateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la partie du canal de production de la décharge couronne (11) comporte un ensemble de saillies pointues (18, 19) s'étendant hors de la surface extérieure de ce canal d'évacuation (6). 12. Procédé de séparation par cyclone à écoulement inverse pour la séparation de matière particulaire d'un écou- lement de gaz brut caractérisé en ce qu'il consiste à: faire passer le gaz brut par une entrée de gaz brut (1) inductrice de turbulence pour créer un écoulement turbulent de gaz brut; introduire ce gaz brut turbulent dans une zone de séparation cyclonique (2) adjacente à une paroi extérieure (3) de celle-ci pour séparer au moins une partie de la matière particulaire du gaz brut turbulent; fournir une électrode (10) de production de décharge couronne dans cette zone de séparation cyclonique; appliquer un gradient de tension entre cette électrode de production de décharge couronne (10) et la paroi extérieure (3) de la zone de séparation cyclonique (2), grâce à quoi un courant d'effluves et un champ de force électrostatique sont formés entre eux; à charger au moins une partie de la matière particu- laire dans le gaz brut s'écoulant dans la zone de séparation par contact avec le courant d'effluves à déplacer la matière particulaire chargée du gaz brut vers la paroi extérieure de la zone de séparation au moyen des forces électrostatiques, grâce à quoi un produit gazeux qui est au moins partiellement appauvri en matières particu- laires se trouve formé; et, éliminer le produit gazeux de la zone de séparation au moyen d'un canal d'évacuation (6) disposé radialement à l'intérieur de l'entrée inductrice de turbulence. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on fait passer au milieu gazeux exempt de produits contaminants par une seconde entrée (8) inductrice de turbu- lence pour former un écoulement gazeux turbulent exempt de produits contaminants et en ce que cet écoulement gazeux turbulent est introduit dans la zone de séparation (2) par une zone d'introduction (9) disposée radialement à l'intérieur du gaz brut turbulent et radialement à l'extérieur de l'entrée du canal d'évacuation (6).