Brevet FR2513534A1 — publié le 19830401

La présente invention concerne un dispositif pour séparer des fluides non miscibles et de densités différentes. On connaît des séparateurs centrifuges capables de soumettre un écoulement composé d'un mélange de fluides non miscibles et de den- sités différentes à l'action de forces centrifuges Le fluide de faible densité occupe essentiellement la partie centrale de l'écoulement final, tandis que le fluide de densité plus élevée est réparti à la périphérie. Une cloison annulaire permet alors la séparation physique des deux fluides. En pratique, il n'est pas possible de définir une limite précise entre les fluides de l'écoulement final, cette limite variant de plus, avec des modifications des quantités relatives des fluides à l'entrée du séparateur. Pourtant, dans certaines applications, il est nécessaire de réaliser une séparation complète des fluides de façon que chacun des écoulements obtenus ne contienne qu'un seul fluide. Dans les séparateurs centrifuges du type indiqué ci-dessus, en choisissant judicieusement le diamètre de la cloison annulaire, on peut isolerdans l'écoulement final,un écoulement composé d'une fraction déterminée d'un seul des fluides Mais le reste de l'écoulement final est constitué d'un mélange des fluides qui pourrait être traité par un second séparateur centrifuge relié en série On obtient alors de meilleures performances de séparation, mais néanmoins la séparation des fluides ne sera pas-totale On peut, bien sûr, augmenter le nombre de séparateurs, mais on se heurte alors à une limite physique qui résulte du dimensionnement de la cloison annulaire de séparation et l'un des fluides obtenus n'est pas d'une pureté totale. C'est pourquoi la présente invention propose un dispositif fonctionnant sur le principe de la séparation centrifuge de fluides non miscibles et de densités différentes qui ne présente pas les incon- vénients indiqués ci-dessus et permet une séparation quasi totale des des fluides constituant le mélange. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif comporte un corps tubulaire dans lequel le mélange est introduit par une pre- mière de ses extrémités, des premiers moyens adaptés à imprimer à ce mélange,lorsqu'il circule dans le corps, un mouvement ayant une compo- sante de rotation autour de l'axe du corps tubulaire et comporte égale- ment,entre les moyens de mise en rotation et la seconde extrémité du corps tubulaire: une première cloison délimitant avec le corps tubulaire un premier espace annulaire o circule uniquement une fraction du fluide ayant la plus forte densité, un premier conduit d'extraction de ce fluide communiquant avec ledit premier espace, une seconde cloison annulaire délimitant au centre du corps un second espace dans lequel circule uniquement une fraction du fluide ayant la plus faible densité, et un second conduit d'extraction de ce fluide communiquant avec ledit second espace, l'espace délimité entre lesdites cloisons constituant un premier espace résiduel qui communique avec la seconde extrémité du corps tubulaire, le dispositif comportant une canalisation de recirculation mettant en communication directe les deux extrémités du corps tubulaire. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comporte entre lesdites première et seconde cloisons et la seconde extrémité du corps, des seconds moyens adaptés à imprimer aux fluides circulant dans le premier espace résiduel, une composante de rotation autour de l'axe du corps tubulaire, et comporte également entre lesdits seconds moyens de mise en rotation et la second extrémité du corps: une troisième cloison délimitant avec le corps tubulaire un troi- sième espace annulaire o circule une fraction du fluide ayant la plus forte densité, * 6 > 2513534 un troisième conduit d'extraction de ce fluide communiquant avec ledit troisième espace, une quatrième cloison annulaire délimitant au centre du corps un quatrième espace dans lequel circule uniquement une fraction du fluide ayant la plus faible densité, l'espace compris entre lesdites troisième et quatrième cloisons consti- tuant un second espace annulaire qui communique avec la seconde extré- mité du corps tubulaire. Selon un troisième mode de réalisation le dispositif met en oeuvre des seconds moyens adaptés à imprimer au mélange de fluides qui le traverse un mouvement de rotation autour de l'axe du corps tubulaire; le dispositif est caractérisé en ce que l'une desdites première et seconde cloisons est située entre lesdits premiers et seconds moyens de mise en rotation du mélange, l'autre cloison étant placée entre les seconds moyens de mise en rotation et la seconde extrémité du corps tubulaire. Selon un quatrième mode de réalisation, ce dispositif comporte en outre entre la cloison annulaire placée en aval desdits premiers moyens de mise en rotation du mélange de fluides et lesdits seconds moyens de mise en rotation du mélange de fluide au moins un ensemble comportant des moyens intermédiaires imprimant au mélange de fluide un mouvement ayant une composante de rotation autour de l'axe du dispo- sitif et une cloison annulaire délimitant un espace dans lequel circule une fraction de l'un des fluides ayant traversé lesdits moyens auxi- hlaires de mise en rotation, cet espace communiquant avec un conduit d'extraction du fluide. L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les figures 2 A et 2 B illustrent schématiquement un exemple de réalisation des moyens de mise en rotation du mélange de fluides, la figure 3 montre un second mode de réalisation du dispositif, la figure 4 schématise un troisième mode de réalisation du dispositif, la figure 5 concerne des modifications qui peuvent être apportées au dispositif lorsque -les proportions de fluides varient fortement, la figure 6 montre l'utilisation du dispositif à la séparation de trois fluides non miscibles et de densités différentes composant le mélange, la figure 7 représente un quatrième mode de réalisation du dis- positif, et la figure 8 montre un cas d'utilisation du dispositif. La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Celui-ci comporte un corps tubulaire 1 à l'intérieur duquel est introduit par une de ses extrémités 2 un mélange composé de deux fluides F 1 et F 2 de densités différentes d 1 et d 2 telles que d 1 Par fluides non miscibles on entend également un mélange composé d'un fluide contenant des particules solides en suspension ou un fluide diphasique comprenant une phase liquide et une phase gazeuse. A l'intérieur du corps 1 sont placés des moyens 3 capables d'imprimer au mélange de fluides F 1 et F 2 un mouvement ayant une compo- sante de rotation autour de l'axe du tube 1. Ces moyens de mise en rotation du mélange sont par exemple constitués par un rotor 3 a (Fig 2) portant au moins une pale 3 b ayant un profil adapté tel que celui illustré sur la figure 2 B qui représente schématiquement une vue développée d'une pale. Les moyens 3 sont entraînés en rotation par un moteur 4 (Fig 1) pouvant avoir une vitesse réglable. Entre les moyens de mise en rotation 3 et la seconde extré- mité 5 du corps sont interposés une première cloison annulaire 6 qui délimite avec le corps tubu- laire 1 un premier espace annulaire 7 et une seconde cloison annulaire 8 qui délimite au centre du corps 1 un second espace 9. Un premier conduit d'extraction 10 communique avec le premier espace 7 tandis qu'un second conduit d'extraction 11 communique avec le second espace 9 L'espace résiduel 12 délimité entre les deux cloi- sons annulaires 7 et 8 communique avec la seconde extrémité 5 du corps 1. Une canalisation de recirculation 13 relie directement les deux extrémités 2 et 5 du corps 1. Le fonctionnement de ce dispositif est indiqué ci-dessous. Le mélange de fluide F 1 et F 2 est introduit dans le corps 1 par son extrémité 2 Les moyens de mise en rotation 3 entraînés par le moteur 4, impriment au mélange un mouvement ayant une composante de rotation autour de l'axe du corps 1 Sous l'action de la force centrifuge, le fluide F 1 de densité dl occupe la partie centrale de l'écoulement tandis que le fluide F 2 se concentre à la périphérie. Le diamètre de la première cloison 6 est déterminé pour que dans-l'espace 7 circule une fraction du fluide F qui est évacuée par 2. la canalisation 10. Le diamètre de la seconde cloison 7 est choisi pour que dans l'espace 9 ne circule qu'une fraction du fluide F qui est évacuée par la canalisation 11. Ä 513 54 Les fractions restantes de fluides F 1 et F 2 qui circulent dans l'espace annulaire résiduel 12 sont réintroduites à l'entrée du dispo- sitif par la canalisation 13. La description qui précède montre qu'on a ainsi réalisé la séparation totale des fluides F 1 et F 2. Les diamètres des cloisons 6 et 8 sont déterminés comme indiqué ci-dessus, en tenant compte des proportions de fluides F 1 et F 2 introduits dans le dispositif. De préférence, mais non exclusivement, les diamètres des cloisons 6 et 8 sont choisis pour permettre l'extraction des mêmes quantités relatives des fluides F 1 et F 2 Ainsi le mélange réintroduit par la canalisation 13 contient sensiblement les mêmes proportions de fluides F 1 et F 2 que le mélange de fluide à traiter. L'avantage de ce mode de réalisation réside dans sa compa- cité Il semble toutefois, compte tenu des limitations de dimension- nement imposées par la rotation des moyens 3, qu'il soit préférable d'utiliser un tel mode de réalisation pour séparer des fluides dont les densités sont notablement différentes. La figure 3 représente une variante de réalisation du dis- positif, mettant en oeuvre des seconds moyens 14 de mise en rotation du mélange interposés entre les cloisons 6 et 8 et l'extrémité 5 du corps 1 Ces moyens impriment une composante rotationnelle au mélange qui sort du premier espace résiduel 12. Entre les seconds moyens de mise en rotation 14 et la seconde extrémité 5 du corps 1 sont placées: une troisième cloison annulaire 16 qui délimite avec le corps tubulaire 1 un troisième espace annulaire 17 et une quatrième cloison annulaire 18 qui délimite au centre du corps 1 un quatrième espace 19. Un troisième conduit d'extraction 20 communique avec le troisième espace 17 tandis qu'un quatrième conduit d'extraction 21 communique avec le quatrième espace 19 Un second espace résiduel 22 délimité entre les troisième et quatrième cloisons 16 et 18 commu- nique avec la seconde extrémité 5 du corps 1 La canalisation de recir- culation 13 relie les deux extrémités du corps 1. Les diamètres des cloisons 16 et 18 sont choisis pour que circule respectivement dans les espaces 17 et 19 une fraction des fluides F 2 et F 1 qui ont traversé les seconds moyens de mise en rota- tion 14. Le fonctionnement de ce dispositif est semblable à celui décrit pour le premier mode de réalisation de l'invention et ne néces- site pas de description détaillée. L'intérêt de ce mode de réalisation réside dans le fait que les seconds moyens de mise en rotation 14 et les cloisons séparatrices qui lui sont associées peuvent être de faibles dimensions car elles traitent un débit réduit du mélange de fluide F 1 et F 2 De plus, le débit des mélanges de fluide réintroduit à l'entrée du dispositif est faible. La figure 4 représente un autre mode de réalisation du dis- positif utilisable même pour séparer des fluides de densités assez proches Les mêmes références ont été utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans ce mode de réalisation, on utilise également deux moyens 3 et 14 de mise en rotation du mélange La première cloison 6 est interposée entre ces moyens et délimite avec le corps tubulaire 1 un espace 7 dans lequel circule une fraction du fluide F 2 qui est évacué par la canalisation 10. Le mélange restant, constitué de'la totalité du fluide F 1 et de la fraction restante du fluide F 2, est soumis à l'action des seconds moyens de mise en rotation 14 La seconde cloison 8 interposée entre les moyens 14 et l'extrémité 5 du corps tubulaire 1 isole la partie centrale de l'écoulement sortant des seconds moyens de mise en rotation dans laquelle ne circule qu'une fraction du fluide F qui est évacué par la canalisation 11. Le mélange de fluide F 1 et F 2 circulant dans l'espace résiduel 12 est réintroduit à l'entrée du dispositif par la canalisation 13. Les descriptions qui précèdent montrent que l'on obtient dans les canalisations d'extraction des écoulements monofluides. Lorsque les proportions de fluides F et F sont susceptibles 1 2 de subir des variations limitées à l'entrée du dispositif, les diamètres des cloisons séparatrices sont déterminés en tenant compte de ces varia- tions pour qu'à tout moment ces cloisons isolent des portions d'écou- lement ne contenant qu'un seul fluide. Dans le cas o les proportions de fluides F 1 et F 2 varient fortement à l'entrée du dispositif, par exemple lorsque la teneur en fluide F 1 ou F 2 varie entre 0 % et 100 %, on peut apporter au dispositif selon l'invention les modifications illustrées par la figure 5. Dans la canalisation 10 d'extraction du fluide F est placé un détecteur 22 capable d'indiquer si le fluide qui circule dans cette canalisation est uniquement composé de fluide F ou s'il est composé d'un mélange de fluides F 2 et F 1 Ce détecteur pourra être de tout type connu Par exemple, il détermine la présence de l'un et/ou l'autre des deux fluides en mesurant la résistance électrique de l'écoulement dans la canalisation 10 Ce détecteur commande une vanne 24 à deux positions par l'intermédiaire d'un circuit schématisé en 23. Lorsque le détecteur 22 délivre un signal indiquant la présence du seul fluide F 2, la vanne 24 relie la canalisation 10 à une canalisa- tion 25 d'évacuation du fluide F 2. Quand le signal du détecteur 22 indique la présence de fluide F 1 dans la canalisation 10, le circuit de commande 23 actionne la vanne 24 qui met alors la canalisation 10 en communication avec une canalisa- tion 26 reliée à l'entrée du dispositif. De la même façon, un détecteur 27 est placé à la sortie du dispositif sur la canalisation 11 d'extraction du fluide F 1 et commande par l'intermédiaire d'un circuit 28 une vanne 29 à deux positions. Lorsque le signal délivré par le détecteur 27 indique que l'écoulement dans la canalisation 11 est uniquement composé de fluide Fi, la vanne 29 est placée dans une position pour laquelle la canali- sation 11 est uniquement reliée à la canalisation 30 d'évacuation du fluide F 1. Quand le signal délivré par le détecteur 27 indique la pré- sence de fluide F 2 dans la canalisation 11 la vanne 29 est placée dans sa deuxième position pour laquelle la canalisation ll est reliée à une canalisation 31 qui communique avec l'entrée du dispositif. Bien entendu, la distance entre chaque détecteur et la vanne qu'il commande est choisie suffisante pour que la manoeuvre de la vanne soit effective avant qu'elle ne soit traversée par le mélange de fluide tandis que lors de la détection d'un seul fluide,une tempo- risation retarde la manoeuvre de la vanne. Le fonctionnement du dispositif découle de façon évidente de la description qui précède. En fonctionnement normal il ne circule dans la canalisation 10 que du fluide F La vanne 24 met en communication les canalisations et 25 De même, seul du fluide F 1 circule dans la canalisation 11 qui est mise en communication avec la canalisation 30. Lorsque à l'entrée du dispositif, la proportion du fluide F 2 diminue en dessous de la proportion de fluide extrait par la canalisa- tion 10, du fluide F 1 circule dans la canalisation 10 Le détecteur 22 repère la présence de ce fluide F 1 et la vanne 24 met en communication les canalisations 10 et 26 La totalité du fluide F 2 est donc réintroduit dans le dispositif augmentant ainsi la proportion de fluide F 2 à l'entrée de ce dispositif Pendant ce temps, le fluide qui circule dans la canalisation 11 est uniquement composé de fluide F 1 qui s'écoule dans la canalisation 30 à travers la vanne 29. Lorsque la proportion de fluide F 2 à l'entrée du dispositif atteint une valeur pour laquelle il ne circule que du fluide F 2 dans la canalisation 10, le détecteur 22 actionne la vanne 24 pour remettre en communication les canalisations 10 et 25. Inversement, lorsque la proportion de fluide F 1 à l'entrée du dispositif diminue en dessous d'une valeur pour laquelle le détec- teur 27 indique la présence de fluide F 2 dans la canalisation 11, la vanne 29 met en communication les canalisations il et 31 assurant ainsi la réintroduction de la totalité du fluide F à l'entrée du dispositif, ce qui augmente la proportion de fluide F 1 à l'entrée de ce dispositif. Pendant ce temps, le fluide qui circule dans la canalisation 10, uni- quement composé de fluide F 2 ' s'écoule dans la canalisation 25 à travers la vanne 24. Lorsque la proportion de fluide F 1 à l'entrée du dispositif atteint la valeur pour laquelle seul ce fluide circule dans la canali- sation 11, le détecteur 27 actionne la vanne 29 pour rétablir la com- munication entre les canalisation 11 et 30. Dans ce qui précède on a supposé le cas de la séparation de deux fluides non miscibles de densités différentes Le dispositif est utilisable pour séparer plus de deux fluides comme le montre schéma- tiquement la figure 6 pour laquelle on a supposé que le mélange initial comprenait trois fluides F 1, F 2, F 3 de densités d 1, d 2, d telles que 1 La figure 7 représente un autre mode de réalisation. Selon celui-ci, le fluide entrant dans le dispositif est soumis à l'action des premiers moyens de mise en rotation schématisés - en 3 et une cloison annulaire 6 isole une fraction du fluide F 2 qui est évacué par la canalisation 10. Le mélange du-fluide F 1 et de la fraction restante de fluide F 2 est alors soumis à l'action de nouveaux moyens de mise en rotation 3 a associés à une cloison annulaire 6 a qui isole une nouvelle fraction de fluide F 2 évacué par la canalisation l Oa D'autres moyens de mise en rotation 3 b 3 N reliés en série et associés respectivement à des cloisons annulaires 6 b 6 N permettent d'extraire la plus grande partie du fluide F 2. Le mélange restant est alors soumis à l'action des moyens de mise en rotation 14 associé à une cloison annulaire 8 qui isole une fraction du fluide F 1 évacuée par la canalisation 11. Le mélange restant est recyclé par la canalisation 13. Des modifications pourront être apportées aux différents modes de réalisations de l'invention illustrés par les diverses figures. Ainsi, il est possible de prévoir des moyens de réglage de la vitesse de rotation des moyens de mise en rotation du mélange. Dans les modes de réalisations utilisant plusieurs moyens de mise en rotation, ces moyens pourront être entraînés par des moteurs différents, à des vitesses différentes, soit en agissant sur ces moteurs, soit en interposant des réducteurs mécaniques. Les modifications illustrées par la figure 5 peuvent être apportées à chacun des autres modes de réalisation du dispositif selon l'invention. Les utilisations du dispostif sont diverses et nombreuses Il peut être utilisé pour le dégazage d'un liquide, le traitement d'un liquide contenant des particules solides en suspension, etc Mais il présente des avantages dans le traitement des eaux polluées par le déversement d'un produit tel que des hydrocarbures En effet, un tel système de séparation permet par exemple de rejeter une eau pratiquement exempte de traces d'hydrocarbures. La figure 8 représente une autre utilisation possible du dispositif selon l'invention. En effet, considérons un puits pétrolier immergé 32 produisant un fluide diphasique comportant des hydrocarbures liquides et des hydrocarbures gazeux dans des proportions telles que la pression de ce fluide diphasique ne peut être augmentée à la valeur nécessaire pour son transfert à travers la canalisation 33 par le matériel de pompage existant actuellement. On sait que l'on peut mélanger à ce fluide diphasique une quantité suffisante d'eau pour obtenir un nouveau fluide diphasique dont la pression peut être augmentée par le matériel de pompage actuel. De préférence, cette eau est de l'eau de mer préalablement traitée si nécessaire (par filtrage, etc) et introduite dans le fluide dipha- sique par un mélangeur approprié, schématisé en 34 Un tel mélangeur est, par exemple, décrit dans la demande de brevet français 2 417 057 Après élévation de la pression par un ensemble de pompage 35, l'eau contenue dans le mélange est retirée par le dispositif selon l'inven- tion 36 pour être totalement ou partiellement rejetée à la mer ou éventuellement réintroduite dans le mélange diphasique d'hydrocarbures par le mélangeur 34. Ainsi, seul les hydrocarbures liquides et gazeux sont intro- duits dans la canalisation de transport 33 et aucun rejet polluant d'hydrocarbures dans l'eau n'est effectué. 13534 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Dispositif pour séparer les composants d'un mélange d'au moins deux fluides non miscibles et de densités différentes, ce dispositif comportant un corps tubulaire dans lequel le mélange est introduit par une première de ses extrémités et des premiers moyens adaptés à imprimer à ce mélange lorsqu'il circule dans le corps, un mouvement ayant une composante de rotation autour de l'axe du corps tubulaire, caractérisé en ce qu'il comporte entre les moyens de mise en rotation et la seconde extrémité de ce corps tubulaire: une première cloison délimitant avec le corps tubulaire un premier espace annulaire o circule uniquement une fraction du fluide ayant la plus forte densité, un premier conduit d'extraction de ce fluide communiquant avec ledit premier espace, une seconde cloison annulaire délimitant au centre du corps un second espace dans lequel circule uniquement une fraction du fluide ayant la plus faible densité, et un second conduit d'extraction de ce fluide communiquant avec ledit second espace, l'espace délimité entre lesdites cloisons constituant un premier espace résiduel qui communique avec la seconde extrémité du corps tubulaire, et en ce que le dispositif comporte une canalisation de recirculation mettant en communication directe les deux extrémités du corps tubu- laire. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte entre lesdites première et seconde cloisons et la seconde extrémité du corps, des seconds moyens adaptés à imprimer aux fluides circulant dans le premier espace résiduel, une composante de rotation autour de l'axe du corps tubulaire, et en ce qu'il comporte entre lesdits seconds moyens de mise en rotation et la seconde extrémité du corps: une troisième cloison délimitant avec le corps tubulaire un troisième espace annulaire o circule une fraction du fluide ayant la plus forte densité, un troisième conduit d'extraction de ce fluide communiquant avec ledit troisième espace, une quatrième cloison annulaire délimitant au centre du corps un quatrième espace dans lequel circule uniquement une fraction du fluide ayant la plus faible densité, l'espace compris entre lesdites troisième et quatrième cloisons consti- tuant un second espace annulaire qui communique avec la seconde extré- mité du corps tubulaire. 3 Dispositif selon la revendication 1, mettant en oeuvre des seconds moyens adaptés à imprimer au mélange de fluide qui le traverse un mouvement de rotation autour de l'axe du corps tubulaire, caracté- risé en ce que l'une desdites première et seconde cloisons est située entre lesdits premiers et seconds moyens de mise en rotation du mélange, l'autre cloison étant placée entre les seconds moyens de mise en rota- tion et la seconde extrémité du corps tubulaire. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, entre la cloison annulaire placée en aval desdits premiers moyens de mise en rotation du mélange de fluide et lesdits seconds moyens de mise en rotation du mélange de fluideau moins un ensemble comportant des moyens intermédiaires imprimant au mélange de fluide un mouvement ayant une composante de rotation autour de l'axe du dispositif et une cloison annulaire délimitant un-espace dans lequel circule une fraction de l'un des fluides ayant traversé lesdits moyens auxiliaires de mise en rotation, cet espace communiquant avec un conduit d'extrac- tion du fluide. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, pour chacun des fluides du mélange, une cana- lisation d'évacuation communiquant avec lesdits conduits d'extraction correspondants et en ce qu'au moins un desdits conduits d'extraction est équipé d'une vanne à deux positions et d'un détecteur délivrant un signal caractéristique de la nature de l'écoulement qui circule dans la canalisation d'extraction, ce détecteur positionnant la vanne dansune position qui met le conduit d'extraction en communication avec la canali- sation d'évacuation correspondante lorsque l'écoulement qui circule dans le conduit d'extraction est composé d'un fluide déterminé du mélange, le détecteur mettant la vanne dans la deuxième position interrompant la communication entre le conduit d'extraction et la canalisation d'éva- cuation correspondante lorsque l'écoulement dans le conduit d'extraction comporte un autre fluide que ledit fluide déterminé. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans sa deuxième position la vanne met en communication le conduit d'extraction avec ladite première extrémité du corps du dispositif. 7 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur mesure la résistance électrique de l'écoulement qui cir- cule dans le conduit d'extraction pour déterminer les constituants de cet écoulement. 8 Dispositif selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens imprimant au mélange de fluides un mouvement ayant une composante de rotation autour de l'axe du dispositif comportent un rotor équipé d'au moins une pale