Brevet FR2652762A1 — publié le 19910412

La présente invention est relative à un dispositif de séparation de phases fluides ou solides contenues dans un mélange. Elle est produite dans un espace annulaire dont les deux parois sont tournantes, la paroi interne tournant à une vitesse de rotation supérieure â celle de la paroi externe, proportionnellement à l'inverse de leurs diamètres respectifer La séparation de phases dans un écoulement cyclone est bien connue, et utilisée dans différentes applications industrielles, le tri des sables ou la séparation de gaz dans un liquide par exemple. Les cyclones traditionnels présentent l'inconvénient d'avoir des performances limitées, du fait de la turbulence qui se produit inévitablement dans la chambre de séparation. Une amélioration fondamentale du fonctionnement de ces appareils a été réalisée par l'auteur et Mr J. WOILLEZ en 1986 (Brevet 86 00015). Le procédé consiste à faire tourner la paroi extérieure de la chambre cylindrique du cyclone. Ceci permet de réaliser un écoulement vortex quasiment idéal. Les essais de l'appareil ont confirmé ces qualités, au point qu'il est possible de le faire fonctionner dans des émulsions huile-eau dans lesquelles les gouttes d'huile ont une granulométrie de quelques microns. L'inconvénient de l'appareil réside sur les points suivants: La phase légère, séparée au centre de l'appareil contient une quantité importante de liquide lourd. La perte de charge de l'appareil est prohibitive dans certaines applications. Lorsque le mélange introduit est triphasique, eau, huile et gaz, par exemple, le fonctionnement peut être fortement perturbé. Il se peut, dans certains cas, que des particules solides, de densité supérieure à celle du fluide porteur viennent se fixer sur la paroi externe de l'espace annulaire, ce qui peut conduire à une dégradation de l'écoulement. Une version particulière du procédé de séparation à parois tournantes a été brevetée par l'auteur du présent document, dans le cas de la séparation d'un solide initialement contenu dans un fluide (Brevet Français 8707274). On y parle, en particulier, de la mise en oeuvre de deux cylindres concentriques tournant à des vitesses proportionnelles à l'inverse de leurs diamètres, et de la présence d'un rotor de pompe à l'évacuation de la phase fluide porteuse. Cette invention est limitée à la séparation d'une phase lourde dans un fluide porteur léger, ou d'une phase légère dans un fluide porteur lourd, mais est mal adaptée à la séparation de deux fluides, tels l'huile dispersée dans l'eau, cas particulièrement difficile à traiter. La présente invention permet d'éviter les défauts des deux précédentes, à savoir de permettre un fonctionnement quasi exempt de pertes de charges sur au moins deux des fluides à séparer, de permettre, dans le cas de séparation de deux liquides non miscibles, d'extraire des phases quasi pures, et de permettre enfin de généraliser le concept des cylindres coaxiaux tournants à l'ensemble des cas pratiques dans lesquels on a à séparer mécaniquement des phases de natures différentes, solides, liquides ou gazeuses. Dans son principe, l'invention peut permettre de séparer jusqu'à 4 phases simultanément. Dans la plupart des cas, cependant, seules 2 ou 3 phases seront à séparer. La figure 1 est une coupe de l'appareil et donne le principe de fonctionnement du système. L'appareil est constitué des éléments suivants: - Une enceinte fixe 1, assurant la mise en pression de l'ensemble. - Un corps externe tournant 2, dont la paroi interne de diamètre D2 constitue la limite externe du jeu annulaire. - Un corps interne tournant, 3, dont la paroi externe, de diamètre D3 constitue la limite interne du jeu annulaire. Les espèces à séparer sont introduites selon les flèches F1 dans le Jeu annulaire. Elles passent successivement au travers de la paroi de l'enceinte 1, puis au travers des orifices 4 ménagés dans la paroi du corps 2. Elles pénètrent dans l'espace annulaire, 28, au travers des canaux quasi axiaux 5, ménagés entre 2 et 3. Le jeu annulaire dans cette zone de canaux est inférieur à celui que l'on a dans la section courante de la chambre de séparation proprement dite. Il est typiquement de l'ordre de 92/10. Les canaux sont solidaires du cylindre extérieur et sont constitués de parois radiales, dont la distance dans le sens circonférentiel est de l'ordre de grandeur du jeu annulaire dans cette zone. Le cylindre intérieur a, dans cette zone un diamètre extérieur inférieur au diamètre minimal de ces parois radiales, de telle sorte qu'il il nty aie pas contact. On cherchera pratiquement à réduire ce jeu ailettes- cylindre intérieur autant que possible. Le mélange pénètre, gracie à ces dispositions de manière quasi axiale dans le repère tournant. On impose alors à la paroi extérieure du jeu annulaire une vitesse de rotation N2 et à la paroi intérieure la vitesse de rotation N3, ces deux vitesses étant exprimées en tours par seconde. Si l'on fait en sorte que N3/N2=D2/D3, l'écoulement créé dans l'espace annulaire est un écoulement répondant aux équations du vortex pur, sans frottements externes. On appelle également ce type d'écoulement wå circulation constante". En tout point de l'espace annulaire, la vitesse tangentielle de l'écoulement est proportionnelle à l'inverse du rayon correspondant. Avec un tel écoulement, la turbulence est quasi inexistante et il est donc possible de séparer les espèces de densité différentes dans le champ d'accélération - ainsi créé dont l'intensité locale est égale à YeXr Par exemple, pour une vitesse de rotation de 1800 tr/mn, soit 30 tr/s, d'un cylindre extérieur de 60 mm, l'accélération en paroi de celui ci serait égale à 1066 mise, plus de 100 fois supérieure à l'accélération de la pesanteur. On imagine donc l'efficacité d'un tel système en tant que séparateur. L'adjonction d'un cylindre tournant 3 au centre de l'appareil permet de créer une surface matérielle dans le champ d'accélération quasi parfait créé par la rotation du cylindre extérieur, sans aucunement perturber l'écoulement. On conçoit donc que les espèces légères, centripètées dans l'espace annulaire, viennent se rassembler sur la surface de ce cylindre. Si celui-ci est percé d'orifices, 6, les dites espèces pénétreront dans les orifices et seront ainsi séparées du fluide porteur. On imagine également que les espèces lourdes, de densité supérieure à celle du fluide porteur, iront se rassembler sur la paroi externe du Jeu annulaire, et, sous réserve que celle ci soit percée d'orifices, 7, pourront être évacuées vers l'extérieur. Dans le cas ou les espèces légères seraient constituées de deux phases, on peut imaginer que le cylindre tournant intérieur soit formé de deux cavités concentriques, 29 et 30, la phase la plus légère migrant vers la cavité intérieure. Ce cylindre intérieur est alors lui-même un séparateur de type centrifuge. Cette utilisation peut se rencontrer dans le cas de séparation d'huile et de méthane en phases dispersées dans l'eau de mer par exemple. La sortie du fluide porteur, débarrassé de ses polluants se fait en 8, dans le jeu ménagé entre le rétrécissement de sortie du cylindre extérieur et le cylindre intérieur. Le séparateur ainsi réalisé est un séparateur quadriphasique particulièrement efficace, du fait de la quasi absence de turbulence dans la chambre de séparation. A la sortie de la chambre de séparation, le fluide porteur est à une pression plus faible que celle qu'il avait â l'entrée, ce qui, pratiquement, peut poser problème. Le fluide léger séparé est lui-même à une pression inférieure à celle de l'entrée de l'appareil. On a donc prévu, selon l'invention, d'adjoindre au système de séparation proprement dit, deux roues radiales mobiles, 9 et 10, permettant de remettre les deux fluides en pression, si possible à une pression au moins égale à celle régnant à l'entrée de l'appareil. On pourrait imaginer une telle solution pour le fluide le plus léger ou pour l'espèce la plus lourde, en plaçant des roues 11 et 12 sur les sorties correspondantes. Ces solutions pourront être de mise en oeuvre délicate lorsque la densité de la phase la plus légère sera très inférieure à celle de la phase légère intermédiaire. Les choix définitifs dépendront, au coup par coup, du processus spécifique concerné. Des dispositifs d'étanchéité 32, 13, 14, 15 sont mis en oeuvre, qui permettent d' isoler les unes des autres les entrées et sorties de 1' appareil. Leur dimensionnement fait partie de l'art de l'ingénieur. On notera que la disposition prise dans le schéma de principe n'est pas la seule envisageable, et, qu'en particulier, l'évacuation des phases légères peut se faire à l'opposé de celles des phases lourdes sans mettre en cause la validité du procédé. La figure montre également la disposition des paliers ou roulements 16,17,18,19 qui permettent la mise en rotation de l'appareil. Là encore, d' autres dispositions constructives sont envisageables, en gardant les principes du procédé. Le moteur 20 entraîne les deux cylindres Z et 3, par exemple par l'intermédiaire des poulies 21 et 22. On peut également imaginer de placer deux moteurs à chaque extrémité de l'appareil, ou toute autre disposition constructive permettant ltentrasnement des deux rotors aux vitesses de rotation spécifiées. On notera que la structure proposée permet de limiter le nombre d' étanchéités avec 1 ' extérieur, qui se font au niveau des systèmes de paliers 18 et 19. Le dimensionnement, appliqué 8 la séparation de pétrole et de méthane dans de l'eau est le suivant: Diamètre extérieur du Jeu annulaire: 60 mm. Diamètre intérieur du jeu annulaire: 30 mm. Longueur de la chambre de séparation: 600 mm. Diamètre extérieur de la roue de pompe à eau, 9, 80 mm. Diamètre extérieur de la roue de pompe à huile, 10, 90 mm. Sortie de la phase gazeuse en 23. Vitesse de rotation: 2000 tr/mn environ. Un tel appareil permet d'envisager la séparation de gouttelettes d'huile de l'ordre de 10p dans de l'eau, la différence des densités entre les deux phases étant de 150 Kg/m3, le débit étant de 1 1/8 environ. Dans la conception retenue, les pressions de sortie des phases liquides sont supérieures à la pression d'entrée. Le dimensionnement des roues de pompes permettant d'obtenir ces conditions fait partie de l'art de l'ingénieur. De ce fait, les fuites éventuelles pouvant exister entre les chambres 24 et 25 de sortie des liquides, et le circuit d'entrée sont dirigées vers le dit circuit d'entrée et les fluides ainsi évacués passent une nouvelle fois dans le séparateur. Ceci permet d'éviter une pollution des espèces traitées par le fluide non traité On notera que, pour l'essentiel, les parties tournantes sont placées dans un conteneur résistant à la pression, ce qui permet d'éviter la mise en oeuvre de technologies d'étanchéité très sophistiquées, à l'exception des deux joints-paliers de sortie des arbres moteurs 18 et 19. Dans la plupart des cas, les débits des divers constituants pourront varier et il sera nécessaire de mettre en oeuvre un réglage des débits de sortie, effectué, par exemple au moyen des vannes 26 et 27, qui pourront être commandées en fonction du degré de pureté des phases extraites. Notons que l'invention s'applique à toutes les situations de séparation de phases, liquide-liquide, liquide-solide, gazliquide, gaz-solide, ou à une combinaison de ces compositions, quels que soient les proportions des corps en présence, à la condition que l'une au moins des phases soit considérée comme un fluide porteur. REVENDICATIONS. 1. Procédé de séparation de phases dispersées dans un fluide porteur caractérisé en ce que le mélange est introduit quasi axialement dans un espace annulaire compris entre deux cylindres tournants coaxiaux 2 et 3, dont les vitesses de rotation sont inversement proportionnelles à leurs diamètres intérieur et extérieur D2 et D3, les particules ou fluides lourds contenus dans le fluide porteur étant évacuées au travers d'orifices, 7, situés à la périphérie du cylindre extérieur, les particules ou fluides légers étant évacués, en 6, au travers de la paroi du cylindre intérieur, le fluide porteur étant, quant å lui, évacué à l'extrémité de l'appareil opposé à son entrée, au travers du jeu 8 existant entre la sortie, rétrécie, du cylindre extérieur, et le cylindre intérieur, l'un au moins des fluides traités passant dans au moins une roue de pompe, préférablement radiale, située sur l'un des arbres tournants, qui a pour rdle d'augmenter la pression dudit fluide. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'introduction quasi axiale du mélange dans la chambre de séparation 27 s'effectue grâce à des ailettes radiales 5 fixées au cylindre extérieur 2, et dont la distance dans le sens circonférentiel est de l'ordre du jeu radial entre les cylindres dans cette zone, jeu généralement inférieur à ce qu'il est dans la chambre de séparation proprement dite. 3. Procédé selon les revendication 1 et 2 caractérisé en ce que les chambres d'évacuation des espèces différentes sont séparées l'une de l'autre par des étanchéités 32,13,14,15 convenablement disposées. 4. Procédé selon les revendication 1, 2 et 3 caractérisé en ce que la pression dans certaines chambres d'évacuation des espèces, sinon la totalité, est supérieure à celle régnant dans la conduite d'alimentation , de telle sorte que les fuites éventuelles de fluide se produisent toujours dans le sens fluide épuré vers le fluide à traiter, cette différence de pression résultant de la rotation des roues de pompes telles que 9,10,11 ou 12. 5. Procédé selon la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le cylindre intérieur est muni de canaux ou d'ailettes radiales en communication avec deux chambres, l'une, 30, annulaire, située à la périphérie du cylindre, l'autre, 29, annulaire ou cylindrique située à l'intérieur du cylindre, ces chambres étant reliées à des sorties différentes, 10 et 11, cette disposition permettant de séparer deux espèces dispersées de densités très différentes, le cylindre intérieur constituant lui-même un séparateur de phases. 6. Procédé selon l'une des revendications ci-dessus caractérisé en ce que les parties mobiles sont contenues dans une enceinte fixe, 1, résistant à la pression, de telle sorte que lton évite au maximum les étanchéités avec 1 'extérieur, qui peuvent, par exemple, être limitées aux systèmes de joints et paliers 18 et 19. 7. Procédé selon l'une des revendications ci-dessus caractérisé en ce que l'entraînement des cylindres tournants se fait au moyen d'un moteur électrique, à vitesse éventuellement variable, les vitesses de rotation différentes étant obtenues par des procédés connus, par exemple des poulies 21 et 22 ou des engrenages. 8. Procédé selon l'une des revendications ci-dessus caractérisé en ce que le débit de sortie des phases séparées est régulé au moyen de dispositifs appropriés, par exemple des vannes 26 et 27, de telle sorte que le degré souhaité de pureté des phases soit assuré quelles que soient les variations de débit global et de composition du mélange à l'entrée du séparateur.