Brevet FR2558741A1 — publié le 19850802

Séparateur de mélanges par centrifugation La présente invention concerne un séparateur d'un mélange d'une vapeur (ou un gaz, ou un liquide) et d'un liquide (ou un solide) par centrifugation à l'intérieur d'une enceinte, comprenant au moins un ensemble constitué de tubes de circulation, des moyens pour imprimer au mélange, à l'entrée de ces tubes, un écoulement tourbillonnaire, des tubes de recueil d'une phase moins dense installés à la sortie des tubes de circulation, éventuellement munis de moyens de redressage de l'écoulement, des moyens d'extraction d'une phase plus dense et des moyens de recueil de cette phase. Des dispositifs de ce genre ont fait notamment l'objet des brevets NO 2357308 et 2357818 au nom d'Electricité de France et des brevets n0 2410499, 2416733, 2425272 et 2425406 aux noms des demanderesses. Les dispositifs selon les brevets ci-dessus mentionnés ne permettent pas toujours d'obtenir des efficacités de séparation suffisantes, notamment dans le cas de mélanges riches en produits devant être extraits du mélange initial. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient, en procurant un dispositif de séparation qui permet d'atteindre des efficacités de séparation élevées. De plus le dispositif selon l'invention a pour but d'obtenir des pertes de charge très sensiblement inférieures à celles des appareils conçus selon les brevets ci-dessus mentionnés. Il a enfin pour but de faciliter le cas échéant la réintroduction dans le mélange à séparer ou en cours de séparation d'une partie des phases extraites, réintroduction rendue inutile dans de nombreux cas grâce audit dispositif. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux dispositifs successifs d'extraction d'une phase plus dense du mélange initial, et au moins deux dispositifs successifs de recueil de ces phases. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - les dispositifs d'extraction des phases séparées du mélange initial permettent de recueillir lesdites phases dans une ou plusieurs chambres séparées les unes des autres par des éléments interdisant toute communication entre les chambres, afin d'éviter qu'un écoulement parasite du fluide principal, ou des phases extraites par l'un ou plusieurs dispositifs d'extraction, ne viennent perturber l'extraction par un ou plusieurs autres dispositifs d'extraction. - les dispositifs d'extraction des phases séparées du mélange initial permettent de recueillir lesdites phases dans une ou plusieurs chambres séparées les unes des autres par des éléments réduisant la communication entre les chambres, éléments pouvant être constitués par des chicanes ou des orifices judicieusement dimensionnés et disposés. - les dispositifs d'extraction des phases séparées du mélange initial permettent de recueillir lesdites phases dans une ou plusieurs chambres séparées les unes des autres par des éléments limitant la communication entre les chambres à seulement certaines des phases extraites. En plus des caractéristiques précédentes, le dispositif selon l'invention peut répondre à la caractéristique suivante la séparation des phases à extraire du mélange initial est favorisée par l'aspiration, à travers un ou plusieurs des dispositifs d'extraction, d'une fraction du débit de fluide principal. Cette fraction est ensuite extraite du séparateur ou réintroduite dans l'appareil, ainsi qu'il est décrit dans les brevets ci-dessus mentionnées. Les séparateurs selon l'invention peuvent être disposés verticalement, horizontalement, ou même obliquement par rapport à la verticale, la séparation étant obtenue par la centrifugation des mélanges à séparer. Afin d'assurer l'évacuation des phases extraites du mélange initial, la géométrie des tubes de circulation doit être adaptée à celle des dispositifs d'extraction et peut ne pas être celle d'un cylindre. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, des séparateurs en vapeur quasiment sèche et eau résiduelle de mélanges de vapeur et d'eau issus de turbines de détente installées dans des centrales de production d'énergie électrique. Pour simplifier la description des appareils, les exemples donnés ci-après ne comportent que deux dispositifs d'extraction pour chacun du ou des ensembles de séparation constituant les séparateurs. On comprendra que ce nombre n'est pas limitatif et sera adapté aux conditions de fonctionnement des appareils. La figure 1 représente en coupe axiale un séparateur constitué d'une enceinte 2 à l'intérieur de laquelle est installé un ensemble unique comprenant - les tubes de circulation 100, 101. - les dispositifs 102 de mise en rotation du mélange à séparer. Ces dispositifs 102 sont constitués d'ailettes fixées sur un mandrin axial 120. - le tube de recueil 103 de vapeur quasiment sèche, et muni des dispositifs 104 de redressement de l'écoulement. Ces dispositifs 104 sont constitués d'ailettes fixées sur le mandrin axial 120. - les dispositifs d'extraction 105 et 106 mettant en communication l'écoulement avec les chambres 107 et 108. Les chambres 107 et i08 sont séparées par la cloison 111. Les phases extraites du mélange sont ensuite évacuées par les tubulures 109 et 110. Ces phases peuvent être constituées soit par de l'eau, soit par un mélange de vapeur et d'eau. Dans ce dernier cas la vapeur extraite peut être (en totalité ou partiellement) réintroduite dans le mélange de vapeur humide, à l'amont des organes de mise en rotation 102. Le mélange eau-vapeur à séparer pénètre dans l'ensemble de séparation par l'extrémité 1. Les ailettes du dispositif 102 lui communiquent un mouvement tourbillonnaire sous l'effet duquel l'eau est centrifugée vers les tubes de circulation. Une partie de l'eau ruisselant sur le tube 100, ou se trouvant au voisinage de la paroi de ce tube, pénètre dans le dispositif 105 et se dirige vers la chambre 107 puis vers la tubulure d'évacuation-109. La pénétration ae l'eau dans le dispositif 105 et son évacuation peuvent être favorisées par l'extraction d'une certaine fraction de vapeur. Une partie de l'eau ruisselant sur le tube 101, ou se trouvant au voisinage de la paroi de ce même tube, pénètre dans le dispositif 106 et se dirige vers la chambre 108, puis vers la tubulure d'évacuation 110, et son évacuation peut être également favorisée par l'extraction d'une certaine fraction de vapeur. Le débit de vapeur non extrait par les dispositifs 105 et 106, ainsi éventuellement qu'une faible quantité d'eau résiduelle, c'est-à-dire non évacuée par ces mêmes dispositifs, pénètrent dans le tube 103 et rencontrent le dispositif de redressement 104 destiné à supprimer le mouvement tourbillonnaire de l'écoulement. A la sortie 3 de l'ensemble de séparation on trouve donc une vapeur sèche ou quasiment sèche, et animée d'un mouvement pratiquement axial. Il faut remarquer que dans le cas de l'appareil représenté à titre d'exemple sur la figure 1, les dispositifs 102 et 104 sont fixés à un moyeu axial 120 unique et continu. On comprendra que les ensembles de séparation des séparateurs selon l'invention peuvent comporter un moyeu discontinu ou même deux moyeux partiellement ou totalement séparés. On comprendra également que les dispositifs 105 et 106 peuvent avoir des formes différentes de celles représentées sur la figure 1, les formes et les dimensions desdits dispositifs pouvant être adaptées aux conditions de fonctionnement des appareils. Il en est de même pour les autres éléments représentés sur la figure et en particulier pour les tubes 100, 101 et 103, ou pour l'enceinte 2. La réintroduction de la vapeur éventuellement extraite par l'un des deux tou les deux) dispositifs 105 et 106 peut également être effectuée à l'intérieur de l'enceinte 2. Différents procédés peuvent être mis en oeuvre, les principaux étant représentés sur les figures 2 à 6, étant entendu que des moyens équivalents et répondant aux mêmes principes peuvent également être envisagés, en particulier une combinaison de l'un ou l'autre des procédés représentés sur les figures 2 à 6, ainsi qu'il est indiqué, à titre d'exemple, sur la figure 7. La figure 2 représente en coupe axiale un séparateur analogue à celui représenté sur la figure 1, mais dans lequel la vapaur et une partie de l'eau extraites par le dispositif 105 sont réintroduites dans le mélange en cours de séparation à travers des canaux 112 et 113 ou 113A réalisés à l'intérieur des dispositifs de mise en rotation 102 et du moyeu 120. La figure 3 représente en coupe axiale un séparateur analogue à celui représenté sur la figure 1, mais dans lequel la vapeur et une partie de l'eau extraites par le dispositif 105 sont réintroduites dans le mélange de vapeur humide à travers un espace annulaire 114 placé à l'amont des dispositifs de mise en rotation 102. La figure 4 représente en coupe axiale un séparateur analogue à celui représenté sur la figure 1, mais dans lequel la vapeur et une partie de l'eau extraites par le dispositif 106 sont réintroduites dans le mélange en cours de séparation à travers des canaux 115 et 116 ou 116A réalisés à l'intérieur des dispositifs de redressement 104 et du moyeu 120. Les figures 5 et 6 représentent en coupe axiale des séparateurs analogues à ceux des figures précédentes, mais dans lesquels la chambre de recueil 107 est délimitée par une enveloppe 117 interne à l'appareil 2. La réintroduction de la vapeur et d'une partie de l'eau extraite par les dispositifs 106, dans le mélange de vapeur humide à séparer ou en cours de séparation, peut s'effectuer, par exemple, comme il est indiqué sur la figure 5 à travers les passages 112 et 113 ou 113A, ou bien comme sur la figure 6, à travers l'espace 114. La figure 7 représente en coupe axiale un séparateur analogue à celui représenté sur la figure 1, mais dans lequel la vapeur et une partie de l'eau extraites par les dispositifs 105 et 106 sont réintroduites dans le mélange de vapeur humide respectivement à travers l'espace 114, et à travers les canaux 115 et 116 ou 116A. La figure 8 représente en coupe axiale un séparateur analogue à celui représenté sur la figure 1, mais dans lequel la cloison 111 séparant les chambres 107 et 108 a été totalement ou partiellement supprimée, ou munie d'orificesss afin d'assurer une communication entre lesdites chambres et de pouvoir supprimer l'une des tubulures d'évacuation 109. Selon les conditions de fonctionnement du séparateur la communication entre les chambres pourra être limitée par un chicanage. Comme précédemment la vapeur éventuellement extraite par la tubulure 110 pourra être rélntroduite dans l'écoulement de vapeur humide.De mSme également la mise en communication partielle ou totale des chambres 107 et 108 peut être envisagée pour les appareils tels que ceux décrits sur les figures 2, 3, 4, 5, 6 ou 7. La figure 9 représente en coupe axiale un séparateur analogue à celui représenté sur la figure 1, mais fonctionnant en position horizontale ou proche de l'horizontale, et dans lequel l'eau extraite par le dispositif d'évacuation 105 est envoyée vers la chambre 108 à travers un dispositif à chicane 121 destiné à créer une garde hydraulique s'opposant à l'écoulement de la vapeur. Cette disposition pourrait etre envisagée pour les appareils tels que ceux décrits sur les figures 2, 3, 4, 5, 6 ou 7. La figure 10 représente en coupe axiale un séparateur analogue à celui représenté sur la figure 1, mais fonctionnant en position horizontale ou proche de l'horizontale, et dans lequel l'eau extraite par le dispositif d'évacuation 106 est envoyée vers la chambre 107 à travers un dispositif 122 destiné à créer une garde hydraulique s'opposant à l'écoulement de la vapeur. Cette disposition pourrait être envisagée pour les appareils tels que ceux décrits sur les figures 2, 3, 4, 5, 6 ou r. La figure 11 représente en coupe axiale un séparateur analogue à celui représenté sur la figure 1, mais fonctionnant en position verticale, ou proche de la verticale, et dans lequel l'eau extraite par le dispositif 105 est envoyée vers la chambre 108 à travers un dispositif 123 destiné à créer une garde hydraulique s'opposant à l'écoulement de la vapeur. Cette disposition pourrait être envisagée pour les appareils tels que ceux décrits sur les figures 2, 3, 4, 5, 6 ou 7. Pour un débit de vapeur humide à traiter important, le séparateur comprendra en général une pluralité d'ensembles de séparation, fonctionnant en parallèle dans une même enceinte. Les figures 12 à 20 représentent des exemples d'application à ce type d'appareils des dispositifs selon l'invention. La figure 12 représente en coupe axiale un séparateur constitué de plusieurs ensembles de séparation, chacun étant analogue à l'ensemble représenté sur la figure 1 et décrit ci-dessus. Le séparateur de vapeur et de liquide de la figure 12 comporte une enceinte tubulaire métallique 50 placée à l'horizontale avec ses deux extrémités 51, 52 raccordées, l'une 51 à un canal d'amenée du mélange de vapeur et de liquide à séparer, l'autre 52 avec un canal d'évacuation de la vapeur sèche ou quasiment sèche, et avec sur le fond différents conduits de moindres diamètres 53, 54, 55 assurant l'eva- cuation du liquide extrait et éventuellement d'une fraction du débit de vapeur. Cette enceinte métallique 50 prévue pour résister à la pression renferme une batterie d'ensembles de séparation, parallèles entre eux et à la direction générale d'écoulement de la vapeur. Les ensembles de séparation, dont l'un apparaît en coupe longitudinale sur la figure, comportent des tubes de circulation 43, pourvus à leurs orifices d'admission de buses 57 de section extérieure polygonale. Celles-ci placées bord à bord, forment un pavage polygonal qui fait face au canal d'amenée du mélange de vapeur et de liquide à séparer, et qui est complété sur son pourtour par une tôle 61 et un joint souple 62 prenant appui sur la face interne de l'enceinte 50. Les ensembles de séparation renferment également un mandrin axial 65 donnant à la veine gazeuse une section annulaire et des ailettes 66 donnant à la veine gazeuse un écoulement tourbillonnaire entratnant par centrifugation le liquide vers la paroi du tube de circulation 43. Une partie de l'eau ruisselant sur le tube 3, ou se trouvant au voisinage de la paroi de ce tube, pénètre dans le dispositif 41 et se dirige vers la chambre de recueil 80, ainsi qu'éventuellement une fraction de débit de vapeur. Une partie de l'eau ruisselant sur le tube 44, ou se trouvant au voisinage de la paroi de ce tube, pénètre dans le dispositif 42 et se dirige vers la chambre 81, ainsi qu'éventuellement une fraction du débit de vapeur. Le débit de vapeur non extrait par les dispositifs 41 et 42, ainsi Qu'une faible quantité d'eau résiduelle, cxesk-à dire non extraite par ces mêmes dispositifs, pénètrent dans ce tube 45 et rencontrent les ailettes 70 qui sont destinées à supprimer le mouvement tourbillonnaire de l'écoulement, et fixées sur le mandrin 65. Chaque ensemble de séparation est fixé par son extrémité coté échappement dans une alvéole d'une cloison transversale 71. La chambre de recueil 80 est délimitée par la cloison 72, la tôle 61, le joint 62, l'enceinte 50 et les parois extérieures des buses 57, des tubes 43 et des tubes 44. La chambre de recueil 81 est délimitée par les cloisons 71 et 72, l'enceinte 50, et les parois extérieures des tubes 44 et 45. Les tubes 43, 44 et 45 sont rendus solidaires par des attaches. La cloison 71 est fixée rigidement à l'enceinte 50. Elles sert également de support aux ensembles de séparation, à la cloison 72 et à la tôle 61. La cloison 72 est fixée rigidement aux tubes 44, la liaison avec l'enceinte 50 étant assurée par un joint souple 73. Une autre disposition constructive envisageable et non représentée sur la figure consiste à ne pas rendre totalement solidaires les tubes 44 des tubes 45 et 43. Dans ce cas la cloison 72 peut être fixée rigidement à l'enveloppe 50, le joint 73 pouvant alors être supprimé. Une autre disposition non représentée sur la figure consiste à ne pas rendre totalement solidaires les tubes 43 et 45. Dans ce cas la tôle 61 peut être fixée directement à l'enveloppe 50, le joint 62 pouvant être supprimé. Dans ce cas également le mandrin 65 ne doit pas être monobloc mais constitué de deux parties, et peut même etre remplacé par deux mandrins totalement séparés et liés chacun aux dispositifs 66 et 70. Les principes retenus pour les dispositions représentées sur les figures 2 à 7 peuvent aussi être envisagées pour des appareils comportant, comme l'appareil de la figure 12, plusieurs ensembles de séparation, et cela dans le but de permettre la réinjection dans le mélange de vapeur humide, de la vapeur pouvant avoir été extraite par les dispositifs d'extraction de l'eau séparée. En application de ces principes, les figures 13 à 20 représentent à titre d'exemple, certains des dispositifs envisageables spécialement pour des appareils comportant plusieurs ensembles de séparation. Il est bien entendu que d'autres dispositions, peuvent également être envisagées dans le cadre de l'invention, et en particulier une combinaison de l'une ou l'autre des dispositions représentées sur les figures 12 à 20. Le séparateur de vapeur et de liquide représenté sur la figure 13 est destiné à fonctionner de préférence selon un axe horizontal ou proche de l'horizontale. Il est dans son principe analogue à celui de la figure 12, avec lequel il présente toutefois les différences principales suivantes - La cloison 72 est découpée en partie inférieure de manière à permettre une circulation du liquide recueilli dans la chambre 80 vers la chambre 81. - Une tôle 74 fixée à l'enceinte 50 est destinée à éviter ou limiter une circulation de vapeur éventuelle entre les chambres 80 et 81. - Le liquide extrait par les dispositifs 41 et 42 est évacué par la tubulure 55, ainsi qu'éventuellement la fraction du débit de vapeur pouvant être extraite par les dispositifs 42. Le séparateur représenté sur la figure 14 est destiné à fonctionner de préférence selon un axe vertical ou proche de la verticale. Il est analogue dans son principe à celui de la figure 12, avec lequel il présente cependant les différences principales ci-après. Le diamètre de la cloison 72 est réduit, et sur son pourtour un dispositif 75 permet au liquide extrait par les dispositifs 41 de s'écouler vers la chambre 81, en supprimant ou limitant la circulation éventuelle de vapeur entre les chambres 80 et 81. Le séparateur représenté sur la figure 15 est composé d'ensembles de séparation identiques à ceux de l'appareil représenté sur la figure 12. Des parois de doublage 76 et 77 installées à l'intérieur de l'enceinte du séparateur, ménagent un espace annulaire 78 à travers lequel la vapeur et une partie de l'eau extraites par les dispositifs 42 sont réinjectées dans le mélange de vapeur humide à séparer. La chambre 80, destinée à recueillir l'eau et éventuellement la vapeur extraites par les dispositifs 41, est délimitée par la tôle 61, la cloison 72, une paroi de doublage 79, et les parois externes des tubes 43 et 44 et des manchons 57. Sur l'appareil représenté sur la figure 16, la vapeur et une partie de l'eau extraites par les dispositifs 42 sont réinjectées dans le mélange de vapeur humide à séparer, à travers des espaces 30 ménagés à l'entrée des tubes 43. La chambre de recueil 80 est délimitée par les cloisons 31 et 72, la paroi de doublage 79, et les parois externes des tubes 43 et 44. L'appareil représenté sur la figure 17 est analogue à celui représenté sur la figure 16 avec lequel il présente la différence suivante - les espaces 30 ont été supprimés, la vapeur et une partie de l'eau extraites par les dispositifs 42 sont réinjectées dans le mélange de vapeur humide en cours de séparation à travers des ouvertures 32 et 33 respectivement pratiquées dans les ailettes 66 et les mandrins 65. L'appareil représenté sur la figure 18 est analogue à celui représenté sur la figure 15. L'espace annulaire 78 (destiné à réinjecter dans le mélange de vapeur humide à séparer le débit de vapeur et une partie du débit d'eau extraits par les dispositifs 42) est mis en communication avec la chambre 81 par une ou plusieurs tubulures 34 traversant la chambre 80. Ce dispositif peut également être retenu lorsque la réinjection de vapeur s'effectue à travers des espaces 30 ménagés à l'entrée des tubes 43, comme représenté sur la figure 19, ou à travers des ouvertures pratiquées dans les ailettes 66 et les mandrins 65. Les ensembles de séparation de l'appareil représenté sur la figure 20 comportent des ouvertures 35 et 36 pratiquées dans les ailettes 70 et les mandrins 65, destinées à réinjecter, dans le mélange de vapeur humide en cours de séparation, la vapeur et une partie de l'eau extraites par les dispositifs 42. Il faut remarquer que pour tous les appareils représentés sur les figures 15 à 20 les tubulures d'évacuation 55 (et éventuellement 53) peuvent être supprimées dans certains cas de fonctionnement. Bien que les séparateurs qui viennent d'être décrits en référence aux figures du dessin paraissent les formes de réalisation préférables de l'invention, on comprendra que certaines modifications peuvent leur être accordées sans sortir du cadre de 11 invention, certains éléments pouvant être remplacés par d'autres remplissant une fonction technique analogue. REVENDICATIONS 1/ Séparateur d'un mélange d'une vapeur (ou un gaz, ou un liquide) et d'un liquide (ou un solide) par centrifugation à l'intérieur d'une enceinte, comprenant au moins un ensemble constitué de tubes de circulation (100, 101, figure 1), des moyens (102) pour imprimer au mélange, à l'entrée de ces tubes, un écoulement tourbillonnaire, des tubes (103) de recueil d'une phase moins dense installés à la sortie des tubes de circulation, éventuellement munis de moyens (104) de redressage de l'écoulement, des moyens d'extraction d'une phase plus dense et des moyens de recueil de cette phase, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux dispositifs successifs (105, 106) d'extraction de phases plus denses du mélange initial, et deux dispositifs successifs (107, 108) de recueil de ces phases. 2/ Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de réintroduction d'une partie des phases plus denses extraites du mélange initial par l'un ou plusieurs des dispositifs d'extraction, dans le mélange à séparer ou en cours de séparation. 3/ Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de réintroduction consistent en des canaux (112, 113, figure 2) réalisés à l'intérieur des moyens pour imprimer un écoulement tourbillonnaire (102) et du moyeu (120). 4/ Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de réintroduction consistent en une ouverture annulaire (114, figure 3) ménagée à l'entrée d'un tube de circulation (100). 5/ Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de réintroduction consistent en des canaux (115, 116 figure 4) réalisés à l'intérieur des moyens de redressage de l'écoulement (104) et d'un moyeu axial (120). 6/ Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rg-n- troduction d'une partie des phases plus denses extraites du mélange initial s'effectue à l'amont dudit séparateur. 7/ Séparateur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les chambres de recueil (107, 108, figure 1) des phases plus denses extraites par les dispositifs d'extraction (105, 106) d'un meme ensemble de séparation sont séparées par des cloisons (111). 8/ Séparateur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une chambre de recueil (140, figure 8) est commune à la totalité ou à une partie des dispositifs d'extraction (105, 106) d'un même ensemble de séparation. 9/ Séparateur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la séparation entre les chambres de recueil est équipée de dispositifs (121, figure 9 - 122, figure 10 - 74, figure 13 - 75, figure 14) permettant la communication entre lesdites chambres que pour certaines des phases du mélange à séparer. 10/ Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de réintroduction dans le mélange à séparer ou en cours de séparation d'une partie des phases extraites du mélange initial, sont mis en communication avec l'une ou plusieurs chambres de recueil par des dispositions internes à l'appareil. 11/ Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de réintroduction consistent en un espace annulaire (78, figure 15) ménagé à son entrée. 12/ Séparateur selon les revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que la communication entre les moyens de réintroduction (78) et l'une des chambres de recueil (81) s'effectue à travers un espace aménagé entre l'enceinte dudit séparateur (50) et une paroi de doublage (76). 13/ Séparateur selon les revendications 4, 10 ou 11, caractérisé en ce que la communication entre les moyens de réintroduction (78, figure 18) et l'une des chambres de recueil (81) s'effectue à travers des tubulures (34) traversant une ou plusieurs autres chambres de recueil