Brevet FR2574871A1 — publié le 19860620

Le dispositif de compression faisant l'objet de la présente invention est particulièrement adapté à la compression de gaz naturel contenant une fraction liquide. Cette fraction liquide peut être constituée par des hydrocarbures, de l'eau et éventuellement une phase solvant destinée à empêcher la formation d'hydrates, telle que, par exemple, le méthanol. Elle peut donc être constituée par une ou deux phases liquides en émulsion. La pression à la sortie du compresseur peut varier entre quelques bars et plus d'une centaine de bars. Le dispositif de compression selon l'invention est plus particulièrement adapté au cas où la phase liquide est dispersée en gouttes à l'entrée et un dispositif de mélange, tel qu'un mélangeur statique, peut être utilisé pour produire une dispersion homogène. Le dispositif selon l'invention est d'autre part plus particulièrement adapté à la compression de mélanges pour lesquels le rapport du débit en volume de liquide au débit en volume de gaz dans les conditions de refoulement du compresseur K est inférieur à 50 %. I1 est-clair que si l'application du dispositif selon l'invention à la compression de gaz naturel contenant une fraction liquide constitue une application privilégiée, elle ne constitue pas une application exclusive et unique, les principes qui ont été exposés pouvant être appliqués à la compression d'autres mélanges tels que, par exemple, des gaz de raffinerie contenant une fraction liquide ou même des mélanges ne contenant pas d'hydrocarbures. La présente invention concerne un appareil de compression centrifuge permettant de comprimer un gaz contenant une fraction liquide. Le compresseur selon l'invention est tout particulièrement destiné à la compression d'un gaz naturel contenant une fraction liquide. Il a été précédemment découvert un nouveau procédé de compression et de transport d'un gaz contenant une fraction liquide hydrocarbure caractérisé en ce que l'étape de compression est réalisée dans un compresseur apte à recevoir une phase gazeuse contenant une fraction liquide. Un tel procédé permet de simplifier considérablement la production de gaz naturel. Certains compresseurs, tels que les compresseurs à vis ou les compresseurs à anneau liquide dans lesquels la présence d'une phase liquide à la périphérie interne du stator est requise au cours de ltétape de compression, peuvent être utilisés dans un tel procédé sans qu'il soit indispensable de modifier leur conception technologique. Au contraire les compresseurs centrifuges sont sensibles à la présence d'une fraction liquide dans le gaz à l'admission. La phase liquide qui tend à se rassembler à la périphérie du rotor doit être évacuée de façon continue, de manière à éviter un fonctionnement pulsé du compresseur qui conduirait à sa détérioration. Ceci n'est pas prévu sur les compresseurs connus dans l'art antérieur. La présente invention décrit un compresseur centrifuge adapté à une évacuation continue des phases gazeuse et liquide. La présente invention est également applicable à la compression multiétagée d'un gaz contenant une fraction liquide. Pour réaliser une étape de compression d'un gaz contenant une fraction liquide dans un compresseur de type centrifuge, il a été découvert qu'il est nécessaire d'éviter l'accumulation de liquide à la périphérie interne du rotor et que ceci est rendu possible en aménageant pour la fraction liquide un passage d'évacuation distinct du passage d'évacuation de la phase gazeuse. I1 a été découvert également qu'il est possible de régler simplement la hauteur de la couche liquide qui se forme à la périphérie interne du rotor par la position de l'orifice d'admission du passage d'évacuation de la fraction liquide. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de compression d'un gaz contenant une fraction liquide. Le dispositif selon l'invention comporte un rotor R et un stator S, le mélange de gaz et de liquide étant entrainé en rotation par le rotor R en s'écoulant suivant une direction radiale, puis est collecté dans un diffuseur D où la phase gazeuse et la phase liquide se séparent par centrifugation de la phase liquide. I1 se caractérise en ce qu'il comporte en outre un premier passage P1 d'évacuation de la phase gazeuse et -un deuxième passage P2, distinct du premier passage P1, ledit deuxième passage P2 servant à évacuer la phase liquide collectée à la périphérie de la face interne du stator en formant une phase continue, puis étant évacuée à travers un second passage P2 distinct passage P1. Les passages P1 et P2 peuvent être contigus et séparés par une cloison. Les passages P1 et P2 peuvent être aménagés entre des parois sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation du rotor R, en étant séparés par une cloison plane dont le bord externe est circulaire, le bord de ladite cloison circulaire réglant la hauteur de la phase liquide continue à la périphérie de la face interne du stator S. On ne sortira pas du cadre de la présente invention si les passages P1 et P2 débouchent sur un passage commun, la phase liquide étant redispersée dans la phase gazeuse. Lorsque la pompe comprend plusieurs étages, chaque étage comporte un rotor R, un diffuseur D, au moins deux de ces étages comportant chacun un passage P1 et un passage P2, la phase gazeuse sortant du passage P1 d'un étage et la phase liquide sortant du passage P2 du même étage étant mélangées et envoyées à l'étage suivant. La phase liquide pourra être évacuée par un passage aménagé à l'intérieur de la tubulure d'évacuation de la phase gazeuse comprimée. Le rotor R pourra comprendre des pales inclinées à l'admission de plus de 60 par rapport au rayon reliant le bord d'attaque à l'axe de rotation et inclinées à l'échappement de moins de 40 0 par rapport au rayon reliant le bord de fuite à l'axe de rotation. Le rotor et/ou le diffuseur pourront comporter un ensemble de plaques parallèles et rapprochées. Selon la présente invention, le diffuseur peut être inclinéXpar rapport à l'axe de rotation, en étant délimité par deux parois de forme tronconique. Lequel diffuseur et/ou rotor peuvent comporter un ensemble de plaques parallèles et rapprochées de forme tronconique. On ne sortira pas du cadre de la présente invention en faisant varier la perte de charge à travers au moins l'un desdits passages à l'aide d'un organe approprié tel un volet. La présente invention concerne également un procédé de compression d'un gaz contenant une fraction liquide par un dispositif comportant un rotor et un stator. Cette méthode se caractérise en ce que l'on recueille la phase liquide obtenue par centrifugation à la périphérie de la face interne du stator séparément de la phase gazeuse avant de recombiner ces deux phases, soit pour transférer le mélange, soit pour pénétrer dans un autre étage de pompage. Ainsi lorsque le dispositif comporte plusieurs étages chaque étage ayant un rotor et un stator on pourra, après avoir recueilli séparément les phases liquide et gazeuse sortant d'un premier rotor, les recombiner avant de les introduire dans un étage suivant de compression. Lorsque l'on recueille la phase liquide à partir d'un orifice, la hauteur de la phase liquide contenue à la périphérie de la face interne du stator S pourra être réglée par la position dudit orifice. La hauteur du liquide contenue à la périphérie de la face interne du stator pourra être réglée en modifiant la perte de charge de l'un au moins des circuits ou passages servant à recueillir soit la phase liquide, soit la phase gazeuse. La réalisation du dispositif selon l'invention est illustrée par les figures ci-annexées qui schématisent des exemples de réalisation non limitatifs. - La Figure 1 représente un schéma de réalisation d'un étage de compression selon l'invention. - La Figure 1B une variation de réalisation du dispositif selon l'invention. - La Figure 2 représente un mode particulier d'évacuation des phases liquide et gazeuse. - Les Figures 3 et 4 illustrent des exemples de réalisation du rotor R. - Les Figures 5 et 6 illustrent des exemples de réalisation du diffuseur D. - La Figure 7 illustre un autre exemple de réalisation du rotor R. Le dispositif selon l'invention est décrit en relation avec la Figure 1 qui en illustre les principales caractéristiques. Le mélange de gaz et de liquide arrive à l'entrée du rotor R. I1 est entralné en rotation par le rotor R en s'écoulant selon une direction radiale. A la sortie du rotor R, il arrive dans le diffuseur D dans lequel il est ralenti, l'énergie cinétique de rotation se transformant en énergie piézométrique. Dans le diffuseur la phase liquide dispersée se sépare par centrifugation de la phase gazeuse et coalesce à la périphérie de la face interne du stator S. La phase gazeuse est évacuée par le passage P1 et la phase liquide par le passage P2. Dans le cas de l'exemple de réalisation illustré par la Figure 1, les passages P7 et P2 sont séparés par une cloison T qui est plane sur la plus grande partie de sa surface et dont le bord est circulaire. Le bord de la cloison T délimite la position de l'orifice d'admission du passage P2 et fixe la hauteur de la couche liquide qui se forme à la périphérie de la face interne du stator S. Le choix du diamètre externe de la cloison T permet donc de régler la hauteur de la phase liquide continue à la périphérie interne du stator S. Lorsque la phase liquide est évacuée par le passage P2, son mouvement de rotation est freiné et sa pression augmente, ce qui permet, à la sortie du passage P2, de redisperser la phase liquide dans la phase gazeuse comprimée. La section de passage P2 est adaptée en fonction du débit de liquide recueilli. Pour que le dispositif de compression selon l'invention puisse opérer dans une large gamme de rapport du débit de liquide au débit de gaz, il est possible de faire varier la perte de charge du passage P2, par exemple en y plaçant un organe de régulation tel un ou plusieurs volets VL qui sont partiellement fermés lorsque le débit de liquide diminue comme cela est indiqué sur la Figure 1B. La commande de l'organe de régulation peut être effectuée à distance. Elle peut également être asservie à une mesure du débit de phase liquide et/ou de la phase gazeuse. Si la compression est réalisée en plusieurs étages, une telle disposition peut être utilisée, par exen -, pour évacuer les phases gazeuse et liquide à la sortie du dernier étage, chacun des étages précédents étant muni de passages d'évacuation pour les phases gazeuse et liquide, tels que ceux qui sont schématisés sur la Figure 1. Le rotor R équipant un étage de compression peut être réalisé selon différents profils géométriques. Le profil géométrique du rotor sera de préférence choisi de manière à réduire l'effet mécanique des impacts de gouttes liquides. Ainsi, si le rotor R est équipé de pales, la courbure de ces pales est choisie de préférence de manière à varier progressivement entre l'admission et l'échappement, les pales étant inclinées selon une direction proche de la direction tangentielle à l'admission et se redressant progressivement de manière à entrainer en rotation le mélange diphasique. Chacune des pales est de préférence inclinée à l'admission de plus de 60 par rapport au rayon reliant le bord d'attaque à l'axe de rotation et inclinée à l'échappement de moins de 40 par rapport au rayon reliant le bord de fuite à l'axe de rotation. Sur la Figure 3 sont schématisées a titre d'illustration deux pales 12 et 13 équipant un rotor R. Les lignes en pointillé représentent les directions selon lesquelles les pales sont inclinées à l'admission et à l'échappement et les angles à considérer sont ceux qui sont formés entre ces directions et les directions reliant respectivement les bords d'attaque A12-et At3 à l'axe de rotation O et les bords de fuite F12 et F13 à l'axe de rotation 0. Un autre type de rotor qui peut être utiiisé est celui qui est schématisé sur la Figure 4. Un tel rotor est constitué par un ensemble de plaques circulaires rapprochées. L'écartement entre plaques peut être par exemple compris entre 1 mm et 1 cm. Le mélange des phases gazeuse et liquide s'écoule entre les plaques et il est entraîné en rotation par frottement visqueux. Une telle géométrie présente l'avantage de ne pas comporter d'éléments de surface perpendiculaires à l'écoulement et ainsi de réduire l'effet mécanique des impacts de gouttes liquides. Sur le schéma de la Figure4, le rotor Rcomporte six plaques numérotées de 14 à 19, mais en pratique le nombre de'plaques peut être plus élevé et le rotor R peut comporter, par exemple, plusieurs dizaines de plaques L'entrée du mélange des phases liquide et gazeuse dans le rotor est schématisée par la flèche 20 et la sortie de ce mélange par la flèche 21. Le diffuseur D peut être également réalisé selon différents profils géométriques. Ce diffuseur permet de freiner le mouvement de rotation des fluides comprimés et constitue un espace de désengagement des phases liquide et gazeuse. Si le diffuseur D est équipé de pales fixes, la courbure de ces pales est choisie de préférence de manière à varier progressivement entre l'admission et l'échappement, les pales étant inclinées selon une direction proche de la direction tangentielle à l'admission et se redressant progressivement de manière à freiner le mouvement de rotation du mélange des deux phases. Le diffuseur D peut également ne pas comporter de pales et dans certains cas le diffuseur D peut être constitué simplement par l'espace entre la périphérie de la face interne du stator S et la périphérie externe du rotor R. Le freinage du mouvement de rotation dans le diffuseur peut être favorisé par un ensemble de plaques rapprochées. Une telle géométrie présente l'avantage de ne pas comporter d'éléments de surface perpendiculaires à l'écoulement. Cette géométrie est schématisée sur la Figure 5. L'entrée du mélange des phases gazeuse et liquide dans le rotor R est représentée par la flèche 22. A la sortie du rotor R, la rotation du mélange est freinée dans le diffuseur D par les plaques P. A la sortie du diffuseur D les phases gazeuse et liquide sont séparées. La sortie de phase liquide est représentée par la flèche 23 et la sortie de phase gazeuse par la flèche 24. Pour favoriser la coalescence de la phase liquide dans le d-iffuseur D, il est avantageux d'incliner ces plaques vers l'axe de rotation, selon la disposition schématisée sur la Figure 6. Le dispositif étant caractérisé par une symétrie de révolution, les plaques ont alors une forme générale tronconique. Sur chaque plaque se développe alors une fine couche liquide sur laquelle coalescent les gouttes de phase liquide contenues dans la phase gazeuse, ce qui favorise la séparation entre les phases gazeuse et liquide à la sortie du diffuseur. L'entrée du mélange des phases gazeuse et liquide dans le rotor est représentée par la flèche 25. A la sortie du rotor, la rotation du mélange est freinée dans le diffuseur par les plaques inclinées P. Comme cela a été indiqué les gouttes de phase liquide coalescent sur les plaques P, ce qui favorise la séparation des phases gazeuse et liquide à la sortie du diffuseur. La sortie de phase liquide est représentée par la flèche 26 et la sortie de phase gazeuse par la flèche 27. Si le rotor R est constitué de plaques parallèles, il est possible de favoriser la séparation des phases gazeuse et liquide dès le passage dans le rotor en inclinant les plaques du rotor comme cela est schématisé sur la Figure 7. Les plaques formant le rotor ont alors une forme tronconique. Sur la Figure 7, l'entrée du mélange des phases gazeuse et liquide dans le rotor est représentée par la flèche 28. Au cours du passage entre les plaques les gouttes de phase liquide coalescent sur les plaques, ce qui favorise la séparation des phases gazeuse et liquide. Le mélange des deux phases sort en 29. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de compression d'un gaz contenant une fraction liquide, comprenant un rotor R et un stator S et dans lequel le mélange de gaz et de liquide est entraîné en rotation par le rotor R en s'écoulant suivant une direction radiale, puis est collecté dans un diffuseur D où la phase gazeuse et la phase liquide se séparent par centrifugation de la phase liquide, caractérisé en ce qu'il comporte un premier passage P1 d'évacuation de la phase gazeuse et un deuxième passage P2, distinct du premier passage P1, ledit deuxième passage P2 servant à évacuer la phase liquide collectée à la périphérie de la face interne du stator en formant une phase continue, puis étant évacuée à travers un second passage P2 distinct du passage P1. 2 - Dispositif selon l'une des revendications t, caractérisé en ce que les passages P1 et P2 sont contigus et séparés par une cloison. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les passages P1 et P2 sont aménagés entre des parois sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation du rotor R et sont séparés par une cloison plane dont le bord externe est circulaire, le bord de ladite cloison circulaire réglant la hautes de la phase liquide continue à la périphérie de la face interne au stator S. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les passages P1 et P2 débouchent sur un passage commun, la phase liquide étant redispersée dans la phase gazeuse. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant plusieurs étages, chaque étage comportant un rotor R, un diffuseur D, caractérisé en ce qu'au moins deux de ces étages comportent chacun un passage P1 et un passage P2, la phase gazeuse sortant du passage Fi d'un étage et la phase liquide sortant du passage P2 du même étage étant mélangées et envoyées à l'étage suivant. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la phase liquide est évacuée par un passage aménagé à l'intérieur -de la tubulure d'évacuation de la phase gazeuse comprimée. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rotor R comprend des pales inclinées à l'admission de plus de 60 par rapport au rayon reliant le bord d'attaque à l'axe de rotation et inclinées à l'échappement de moins de 40 par rapport au rayon reliant le bord de fuite à l'axe de rotation. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7,~caractérisé en ce que le rotor et/ou =le diffuseur comportent un ensemble de plaques parallèles et rapprochées. 9 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le diffuseur est incliné par rapport à l'axe de rotation, en étant délimité par deux parois de forme tronconique. 10 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le diffuseur et/ou le rotor comportent un ensemble de plaques parallèles et rapprochées de forme tronconique. 11 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins l'un desdits passages P1 ou P2 comporte un organe permettant de faire varier la pérte de charge du passage concerné. 12 - Procédé de compression d'un gaz contenant-une fraction liquide par un dispositif selon la revendication 1, comportant au moins un rotor et un stator caractérisé en ce que l'on recueille la phase liquide obtenue par centrifugation à la périphérie de la face interne du stator séparément de la phase gazeuse. 13 - Procédé selon la revendication 12, appliqué à un dispositif comportant plusieurs étages, chaque étage comportant un rotor et un stator, caractérisé en ce que, après avoir recueilli séparément les phases liquide et gazeuse sortant d'un premier rotor, on les recombine avant de les introduire dans un étage suivant de compression. 14 - Procédé selon l'une des revendications 12 ou 13 dans lequel on recueille la phase liquide à partir d'un orifice, caractérisé en ce que la hauteur de la phase liquide contenue à la périphérie de la face interne du stator S est réglée par la position dudit orifice. 15 - Procédé selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que l'on règle la hauteur du liquide contenu à la périphérie de la face interne du stator en modifiant la perte de charge dans l'un au moins des circuits ou passages servant à recueillir soit la phase liquide, soit la phase gazeuse.