Brevet FR2605898A1 — publié le 19880506

i La présente invention concerne un séparateur pour deux liquides non miscibles, pour la séparation continue des hydrocarbures en émulsion dans l'eau. Dans le domaine du déshuilage des eaux de production, le traitement par flottation est souvent utilisé. La flottation est réalisée soit par air ou gaz dissouts, soit par air ou gaz induits. L'invention'utilise le principe de la flottation à air induit et, en particulier, est adaptée au traitement des eaux de gisement dans les zones de production de pétrole brut, soit sur les plateformes offshore, soit sur les champs pétroliers. Il est connu, par la demande de brevet FR 2.177.581, un dispositif de séparation des eaux polluées par les hydrocarbures comprenant un réservoir tampon faisant fonction de pré-séparateur et comportant un tube central monté de façon télescopique et pourvu à son extrémité d'un entonnoir relié à des flotteurs. Cet entonnoir est destiné à récupérer les hydrocarbures flottants. Toutefois, la position de l'entonnoir d'écrémage, faisant varier l'écrémage, est fonction des valeurs de débit de l'eau traitée qui doit être réglée et maintenue en conséquence. Cet inconvénient est inacceptable pour une exploitation sur les champs de production, compte tenu des variations de débit des eaux polluées. Par ailleurs, ce document n'utilise pas la technique de flottation à air induit. Il est également connu de traiter en continu des eaux polluées par les hydrocarbures ou d'autres corps non miscibles avec l'eau, dans des flottateurs qui utilisent la flottation à air induit. Cependant, ces équipements ne sont pas adaptés à l'industrie pétrolière et présentent en particulier des inconvénients sur le plan de la sécurité, sur le plan de l'exploitation et sur le plan du procédé. En effet, sur les champs pétroliers, les flottateurs à air induit travaillent sous couverture de gaz, de façon à éviter le contact avec l'oxygène pour des raisons de sécurité. Les réservoirs ou capacités sont donc sollicités par la pression hydrostatique due au liquide et la pression de la couverture-de gaz qui est de l'ordre de 20 à 30 mbar. Les flottateurs de l'art antérieur ont une forme parallélépipédique et sont réalisés pour résister à des pression de l'ordre de 100 à 200 mbar. Or, sur les champs pétroliers, compte tenu des variations de production d'eau, ainsi que du manque de fiabilité de certains organes de contrôle (détecteur d'interface eau/huile), des pressions de plusieurs bars peuvent être observées à l'entrée des flottateurs. Ces pressions peuvent créer des fuites importantes de liquide et de gaz ou même peuvent détériorer totalement l'appareil. Lorsque l'on sait que les gaz de pétrole peuvent contenir des produits toxiques (par exemple H2S), on comprend qu'un tel risque de fuite est inadmissible. Sur le plan de l'exploitation, les flottateurs à air induit. nécessitent un réglage fin du niveau de liquide interne puisque ce niveau détermine le-débit d'écrémage des écumes. Or, compte tenu des variations de débit sur les champs de production, il est difficile de maintenir le niveau interne dans une fourchette de variation acceptable et par ailleurs de contrôler que le réglage est correctement fait. Enfin, compte tenu des difficultés de réglage ci-dessus, on est oblige, sur le plan du procédé, d'avoir un débit d'écrémage important, en général supérieur à 10 % du débit traversant le flottateur. Le liquide d'écrémage chargé en écume huileuse et en additif de flottation (polyélectrolyte) doit être recyclé, ce qui, d'une part, diminue le débit nominal de la chaîne de traitement, d'autre part, contrarie la séparation primaire des huiles par la présence des additifs de flottation dans les séparateurs gravitaires. La présente invention a pour but de proposer un séparateur dont le rendement a été amélioré. Ce premier but est atteint par le fait que le séparateur pour deux liquides non miscibles est caractérise en ce qu'il est constitué d'une enveloppe cylindrique dans laquelle sont aménagées des capacités actives et passives, les capacités passives étant disposées à chacune des extrémités du sens de circulation du liquide dans le cylindre et servant soit de zone de tranquillisation, soit de zone de décantation, soit de zone tampon, au moins deux capacités actives étant reliées par un écrémeur commun disposé au centre de l'enveloppe cylindrique, lesdites capacités actives étant disposées entre les capacités passives et étant munies d'un ensemble stator-rotor capable d'effectuer la séparation par air induit. Un deuxième but de l'invention est de proposer un séparateur dont la sécurité a été améliorée. Ce deuxième but est atteint par le fait qu'en plus des caractéristiques précédentes, le séparateur fonctionne sous couverture de gaz. Selon une autre caractéristique, pour améliorer le rendement du séparateur, les cellules actives de celui-ci sont équipées en leur centre et verticalement d'un ensemble de flottation à air induit composé d'un stator et d'un rotor, ledit rotor étant constitué de pales verticales plates, ledit stator recouvrant totalement le rotor et étant constitué de doigts de section rectangulaire disposés régulièrement à la périphérie du rotor et parallèlement à l'axe de symétrie du rotor et rendu solidaire d'au moins deux anneaux placés dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie dudit rotor. Selon une autre caractéristique, pour améliorer le rendement, l'ensemble des doigts solidaires des anneaux du stator sont rendus solidaires par leurs extrémités d'une platine supérieure disposée à l'extrémité d'un tube entourant l'axe du rotor. Selon une autre caractéristique, pour améliorer le rendement, les cellules actives du séparateur sont séparées par un écrémeur comportant une partie mobile montée par un joint sur une partie fixe pour récupérer les écumes dans les deux cellules à la fois, ledit joint entre la partie fixe et la partie mobile étant du type pneumatique entretenu par le gaz généré par la flottation. Selon une autre caractéristique, le joint est constitué par un volume ouvert délimité par la partie mobile, de section similaire à la partie fixe et orienté avec l'ouverture vers le bas de façon que les bulles de gaz s'élevant dans le liquide pénètrent dans ce volume. Un autre but de l'invention est de rendre plus facile l'exploitation. Cet autre but est atteint par le fait que le séparateur fonctionne à niveau constant, fixé par un seuil et l'écumeur fonctionne à débit d'écrémage équilibré automatiquement par le débit d'extraction des écumes. Enfin un dernier but de l'invention est de proposer deux variantes permettant d'améliorer le rendement de l'installation. Ce dernier but est atteint par le fait que la sortie des écumes est reprise par pompage, pour être envoyée dans un séparateur à passage rapide, de façon à séparer les huiles dans ce séparateur par l'intermédiaire d'un récupérateur sélectif. Selon une autre caractéristique, le séparateur rapide est du type coalesceur gravitaire. Selon une dernière caractéristique, le séparateur rapide est du type à hydrocyclone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description détaillée ci-après, faite en référence aux dessins annexés représentant à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation de l'objet de l'invention, et dans lesquels: La figure 1 est une vue d'ensemble de l'invention avec un schéma de circulation des fluides. La figure 2 est une vue en coupe du flottateur selon l'invention. La figure 3A est une vue en coupe partielle de la turbine de flottation. La figure 3B est une vue de dessous de la turbine de flottation. La figure 4 est une vue latérale selon le sens d'écoulement des fluides du dispositif écrémeur autostable. La figure 5 est une vue de dessus selon le sens d'écoulement des fluides du dispositif écrémeur et des barrières de séparation des deux cellules actives. La figure 6 est une vue latérale suivant un axe orthogonal au sens de déplacement du fluide du dispositif écrémeur. La figure 7 est une vue latérale d'une variante de réalisation du séparateur avec un séparateur rapide du type coalesceur gravitaire. La figure 8 est une vue latérale d'une autre variante du séparateur avec un séparateur rapide du type hydrocyclone. Le séparateur de l'invention représenté sur les figures 1 à 6 se compose d'une enveloppe cylindrique (1) disposée avec son axe de symétrie horizontal et parallèle au sens d'écoulement (FF) du liquide à traiter. Cette enveloppe cylindrique se termine à chacune de ses extrémités par deux fonds bombés (2 et 3). L'ensemble repose sur des pieds ou des berces (4). A une première extrémité se trouve la tubulure (5) d'arrivée d'eau à traiter, et à l'autre extrémité, la tubulure (6) de sortie d'eau traitée. Intérieurement, l'appareil est composé de plusieurs cellules, en général en nombre pair, séparées par des cloisons simples ou doubles. Par la suite on appelle cellules actives les cellules comportant une turbine et vo cellules passives les cellules ne comportant pas de turbine. Selon la difficulté de l'émulsion à traiter, le séparateur peut comporter des cellules actives, au nombre de deux, quatre, six ou plus, cet ensemble constituant le flottateur. Bien que l'appareil décrit comporte deux cellules actives, il est bien évident que ce nombre n'est pas limitatif. Partant de l'entrée de l'eau à traiter, dans le sens de l'écoulement, une première cloison simple (7) définit un premier volume (8) de tranquillisation du flux. Ce premier volume (8) constitue une première cellule passive. Ensuite on pénètre successivement dans deux cellules actives (9) et (10) séparées par une double cloison (29, 29bis) et limitées par la cloison simple (12). Dans chacune des cellules actives et en leur centre sont disposés les ensembles rotor-stator (13) et (14) dont les axes de symétrie sont orientés verticalement. Le rotor est composé, comme on peut le voir sur les figures 3a et 3b de pales verticales plates dont le nombre varie selon la dimension. L'exemple représenté comporte douze pales (15). Le stator recouvre totalement le rotor comme on peut le voir à la figure 3A. Ce stator est constitué de doigts à section rectangulaire (16) fixés par leur extrémité supérieure sur une platine supérieure (17) et par les petits côtés de leur section rectangulaire sur la périphérie intérieure d'au moins deux anneaux (18) de section carrée disposés à intervalle régulier sur leur longueur. Le stator est prolongé par un tube (19) entourant l'axe d'entraînement du rotor et se raccordant à la platine supérieure (17). Ce tube (19) est percé en sa partie supérieure d'orifices (20) pour permettre la circulation du gaz aspiré par la turbine. Les deux cellules (9, 10) se trouvent séparées par la double cloison (29, 29bis) dans laquelle s'effectue l'écrémage. L'écrémeur est composé de deux ensembles principaux, une partie fixe solidaire de l'enveloppe (1) et une partie mobile. La partie fixe est composée de deux cloisons (21, 22) disposées transversalement au sens de circulation du liquic'e et reliées entre elles par des parois (30) perpendiculaires à ces cloisons, de façon à former un tube de section rectangulaire et solidaire de l'enveloppe. Les cloisons (29, 29bis) visibles aux figures 5 et 6 prolongent de part et d'autre du tube fixe (21, 22, 30) de l'écrémeur la séparation entre les cellules (9) et (10). Comme on peut le voir sur la figure 6, la cloison (29bis) est disposée dans le cylindre de façon à dépasser le niveau du liquide et de l'écume et à laisser dans la partie basse délimitée par la paroi extérieure du cylindre et la partie fixe de l'écrémeur un passage (49). Par contre, la cloison (29), qui se trouve en amont de la cloison (29bis) par rapport au sens de circulation du liquide, obture totalement l'espace disponible entre la partie fixe de l'écrémeur et la paroi latérale du cylindre (1) dans sa partie basse et laisse, au niveau de la surface supérieure du liquide, un passage (50). On comprend donc, comme on peut le voir à la figure 5 que le liquide venant de la cellule (9) et allant à la cellule (10) passe au-dessus de la cloison (29) et en-dessous de la cloison (29bis). De plus, ces cloisons (29) et (29bis) comportent des découpes respectivement (290) et (290bis) qui permettent à la partie mobile de l'écrémeur de se déplacer sur la partie fixe. La partie mobile de l'écrémeur est constituée d-'un ensemble de cloisons (280 à 285) parallèles aux cloisons (21, 22, 30) et disposées de part et d'autre de ces cloisons, ces cloisons étant reliées entre elles par une entretoise (286) de façon à constituer une enceinte formant un volume ouvert dont l'ouverture est orientée vers le fond de la cuve contenant le liquide. L'entretoise, constituant le fond du volume, est orientée vers la partie de la cuve contenant le gaz. Le gaz est introduit, comme on peut le voir à la figure 1 par l'entrée (B) et se situe au-dessus du niveau du liquide qui lui est introduit par l'entrée (A). Les parois (280, 281, 282, 283, 284, 285) et l'entretoise (286) constituent l'enceinte flottante de l'écrémeur. Sur les parois internes (280, 281) de la partie flottante se trouvent placés des flotteurs (24) et (25) disposés dans la capacité (26) constituée par la partie fixe de l'écrémeur. Cette capacité (26) est en relation avec l'extérieur par l'ouverture de piquage (27). Le joint pneumatique (28) est constitué par l'ensemble des cloisons (280 à 286). Comme on peut le voir sur la figure 6, les cloisons (29, 29bis) sont solidaires de l'enveloppe (1) et sont fixées par la partie inférieure aux découpes (290, 290bis) aux parois latérales (30) de la capacité (26). Des chicanes (31) et (32), (31bis) et (32bis) limitent, comme on peut le voir sur la figure 5 et sur la figure 6 les passages du fluide dans les découpes (290, 290bis), passages qui s'effectueraient en court-circuit des cloisons (29) et (29bis). Comme on peut le voir sur la figure 6, les cloisons (31bis) et (32bis) sont de hauteur telle qu'elles puissent dépasser le niveau maximum du liquide à écrémer tandis que les cloisons (31) et (32) sont de dimension telle qu'elles restent, en tout état de cause, en-dessous du niveau du liquide à écrémer. A la suite de la cloison (12) solidaire du fond de la cuve (1) et délimitant la fin de la cellule active (10), se trouve une cloison siphoide (33) fixée latéralement au cylindre (1) et de dimension telle qu'elle n'obture pas totalement vers le bas le passage du liquide et que, vers le haut elle dépasse le niveau maximum du liquide. Cette cloison (33) délimite, avec la cloison (12), une capacité (45) communiquant vers le bas avec une capacité (46) délimitée par la cloison (33) et une cloison (34) de seuil fixée par sa partie basse et ses côtés au cylindre (1) et de hauteur telle qu'elle soit inférieure au niveau maximum du fluide. Cette cloison (34) délimite, avec le fond de la cuve (3) et ses parois latérales (1), une capacité passive (35) servant de tampon. Cette capacité (35) communique avec l'extérieur par la canalisation (6) qui évacue les eaux traitées. Lorsque le flottateur fonctionne sous couverture de gaz, un détecteur de niveau (36) représenté à la figure 1 permet de contrôler le niveau de liquide dans la capacité (35) qui sert ainsi de joint hydraulique. Le fonctionnemxent du dispositif décrit est le suivant. L'eau à traiter pénètre par la canalisation (5) dans la capacité (8) de tranquillisation, o l'huile non émulsionnée décante, par gravité, et o le fluide peut se dégazer. L'huile accumulée s'écoule au-dessus de la cloison (7), mais la plus grande partie du flux passe sous cette cloison (7). Le flux pénètre dans la capacité (9) o il subit l'action de la flottation à air induit par l'intermédiaire de l'ensemble rotor-stator (13, 14). Le stator se composant d'anneaux et de doigts, permet à l'air. ou au gaz de flottation qui a été introduit par la canalisation (B) et par l'orifice (20) dans le volume interne du stator de s'échapper vers l'extérieur de celui-ci. La vitesse de rotation du rotor provoque un effet vortex qui favorise l'aspiration de l'air ou du gaz qui, projeté sur le stator forme un nuage de bulles dans la veine liquide du flottateur. On a constaté de façon surprenante que cette constitution du stator, composée d'anneaux et de doigts permet d'augmenter l'efficacité du dispositif dans un rapport de 30 %. Par ailleurs, de façon surprenante, en utilisant des doigts à section rectangulaire, reliés par leur petit côté de la section rectangulaire aux anneaux, on supprime le mouvement tourbillonnaire à la surface des eaux que l'on a constaté dans le cas o l'on utilise des doigts à section carrée. Par ces turbines de flottation, on communique au fluide une énergie telle que l'huile a tendance à s'accrocher aux bulles' d'air ou de gaz et remonte à la surface sous forme d'écume. Les écumes formées à la surface des cellules (9) et (10) sont écrémées par le circuit (23) de la partie flottante de l'écrémeur, tandis que la phase eau libérée d'une partie de son huile franchit la cloison (29) puis passe sous la cloison (29bis) et pénètre dans la deuxième cellule de flottation (10) o le même phénomène se produit. Le sens de rotation des turbines des cellules (9) et (10) est choisi de façon à être dans le sens anti-horaire pour communiquer à l'écume flottante un mouvement la faisant converger vers l'écrémeur. L'écume formée dans la cellule (10) est de nouveau écrémée par le circuit (23bis) tandis que l'eau franchit la cloison (12) puis passe sous la cloison (33) avant de franchir le déversoir (34) et de s'accumuler dans le réservoir (35). Dans le cas o le flottateur fonctionne à la pression atmosphérique, l'eau s'écoule naturellement par gravité par la tuyauterie (6). Si le flottateur fonctionne sous couverture de gaz, le niveau (36) maintient, par l'intermédiaire de la vanne (41) représentée à la figure 1 et montée sur la tuyauterie (6), un niveau à peu près constant dans la capacité (35) qui joue alors le rôle de joint hydraulique. Lorsque l'appareil est mis en eau, il faut prendre soin de mettre les capacités (9, 10 et 26) en communication par l'intermédiaire, par exemple, des vannes de purge (non représentées). Puis le niveau montant, un volume d'air est emprisonné dans la zone (28) par simple effet de cloche. En régime de fonctionnement, le volume d'air est maintenu grâce à la quantité d'air présente dans le liquide par l'effet de flottation. Cet air vient se faire piéger entre les cloisons (283) et- (21) et respectivement (282) et (22). Lorsque les écumes sont extraites par la tubulure (27), le niveau de liquide baisse dans la capacité (26) et l'ensemble mobile suit ce niveau par l'intermédiaire des flotteurs (24) et (25) jusqu'à ce que les écumes flottant en surface des cellules (9) et (10) débordent sur les seuils (23) et (23bis). Lorsque le débit d'écrémage est égal au débit d'extraction, l'ensemble mobile est alors en équilibre. On notera que, par le fait du joint pneumatique, le liquide ne peut pas passer entre les parois fixes et l'ensemble mobile car les hauteurs de recouvrement des cloisons formant l'ensemble mobile et des cloisons fixes sont telles que le joint pneumatique n'est pas détruit dans les conditions de variation de l'ensemble mobile. On notera de plus que le fonctionnement du dispositif n'est pas dépendant du débit de l'évacuation de l'eau traitée comme dans le cas de la demande de brevet français 2.177.581. A ce stade de la description, l'appareil est complet et peut fonctionner dans de nombreux cas. En particulier, lorsque le flottateur est placé après un séparateur primaire. En effet, les écumes extraites par la tuyauterie (27), soit par gravité, soit par pompage grâce à la pompe (47) de la figure 1, peuvent être renvoyées vers le séparateur primaire o elles seront déshydratées. Néanmoins, il est souvent intéressant, lorsque l'on n'a pas de il séparateur primaire, ou lorsque la place disponible est limitée, d'utiliser une des deux variantes de réalisation représentées aux figures 7 et 8. Sur la figure 7, les écumes reprises par la pompe (47), figure 1, sont envoyées par une tubulure (37) et (40) vers un séparateur coalesceur gravitaire à passage rapide constitué par une capacité (42) aménagée dans la capacité (8) pour permettre la séparation des écumes. Ces écumes, introduites par la canalisation (40) à un niveau inférieur au niveau d'entrée des eaux à traiter et ayant traversé la capacité (42) sont récupérées par un système sélectif tel que par exemple, un tambour oléophile (45) communiquant avec l'extérieur par une tuyauterie (44). Une autre variante de réalisation consiste à renvoyer les écumes pompées par la pompe (47) vers l'entrée (38) d'un hydrocyclone représenté à la figure 8. Cette entrée (38) se trouve à un niveau supérieur à l'entrée des eaux à traiter. L'hydrocyclone renvoie l'huile par la tuyauterie (39) à un niveau supérieur à la canalisation d'arrivée des eaux à traiter et l'eau extraite de l'écume par une tuyauterie (40) vers la partie basse de la capacité (8). Les huiles surnageant à la surface de la capacité (8) proviennent donc soit du fluide direct (huile entière non émulsionnée) soit des écumes ayant subi la séparation et le traitement par hydrocyclone. Ces huiles sont alors récupérées par un système sélectif, par exemple par un tambour oléophile (43) qui communique avec l'extérieur par une tuyauterie (44). On obtient ainsi une huile extraite du flottateur et ne contenant pratiquement pas d'eau à la sortie de la tuyauterie (44). D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Séparateur pour deux liquides non miscibles, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une enveloppe cylindrique (1) dans laquelle sont aménagés des capacités actives (9, 10) et passives (8, 35), les capacités passives (8, 35) étant disposées à chacune des extrémités du sens de circulation (FF) du liquide dans le cylindre et servant, soit de zone de tranquillisation, soit de zone de décantation, soit de zone tampon, au moins deux capacités actives (9, 10) étant reliées par un écrémeur (280 à 286) commun disposé au centre de l'enveloppe cylindrique (1), lesdites capacités actives (9, 10) étant disposées entre les capacités passives (8, 35) et étant munies d'un ensemble rotor-stator (13, 14) capable d'effectuer la séparation par air induit. 2 - Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il fonctionne sous couverture de gaz. 3 - Séparateur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les cellules actives (9, 10) sont équipées en leur centre et verticalement d'un ensemble de flottation à air induit composé d'un stator (14) et d'un rotor (13), ledit rotor (13) étant constitué de pales (15) verticales plates, ledit stator (14) recouvrant totalement le rotor (13) et étant constitué de doigts (16) de section rectangulaire disposés régulièrement à la périphérie du rotor (13) et parallèlement à l'axe de symétrie de ce rotor (13) et rendus solidaires d'au moins deux anneaux (18) placés dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie du rotor (13). 4 - Séparateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble des doigts (16) solidaires des anneaux (18) est rendu solidaire par les extrémités des doigts (16) d'une platine supérieure (17) disposées à l'extrémité d'un tube (19) entourant l'axe (150) du rotor (13). - Séparateur suivant une des revendications 1 à.4, caractérisé en ce que les cellules actives (9, 10) sont séparées par un écrémeur comportant une partie mobile (280 à 286) montée par un joint (28) sur une partie fixe (21, 22, 30) pour récupérer les écumes dans les deux cellules à la fois, ledit joint (28) entre les parties fixes et les parties mobiles étant du type pneumatique entretenu par le gaz généré par la flottation. 6 - Séparateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le joint (28) est constitué par un volume ouvert délimité par la partie mobile (280 à 286) de section similaire à la partie fixe et orienté avec l'ouverture vers le-bas de façon que les bulles de gaz s'élevant dans le liquide pénètrent dans ce volume. 7 - Séparateur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il fonctionne à niveau constant, fixé par un seuil (36) et en ce que l'écrémeur fonctionne à débit d'écrémage équilibré automatiquement par le débit d'extraction des écumes. 8 - Séparateur suivant une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la sortie des écumes est reprise par pompage (47) pour être envoyée dans un séparateur à passage rapide de façon à séparer les huiles par l'intermédiaire d'un récupérateur sélectif (43, 45). 9 - Séparateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le séparateur rapide est du type gravitaire (42). 10 - Séparateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le séparateur rapide est du type à hydrocyclone (38). 11 - Ensemble de flottation à air induit composé d'un stator (14) et d'un rotor (13), ledit rotor (13) étant constitué de pales (15) verticales plates et recouvrant totalement le rotor, caractérisé en ce que le stator (14) est constitué de doigts (16) de section rectangulaire disposés régulièrement à la périphérie du rotor et parallèlement à l'axe de symétrie de ce rotor (13) et rendus solidaires d'au moins deux anneaux (18) placés dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie du rotor (13).