Brevet FR2707890A1 — publié le 19950127

UTILISATION DANS UN SEPARATEUR TRIPHASIQUE D'UN GARNISSAGE DE COLONNES DE DISTILLATION ET D'ABSORPTION, ET SEPARATEUR TRIPHASIQUE EQUIPE D'UN TEL GARNISSAGE. La présente invention concerne l'utilisation, dans un séparateur triphasique, notamment dans un séparateur disposé en sortie des puits de pétrole et destiné à la séparation de mélanges de type eau-gaz- pétrole, d'un garnissage habituellement utilisé dans les colonnes de distillation et d'absorption. L'invention concerne10 également un séparateur triphasique équipé d'un tel garnissage et destiné, plus particulièrement, à être embarqué sur des plates-formes pétrolières flottantes. On sait qu'à la sortie des puits de pétrole, on récupère un mélange triphasique du type liquide-liquide- gaz, constitué essentiellement d'eau, de pétrole (encore dénommé huile, dans la technique) et de gaz, qu'il est nécessaire de séparer. On rencontre cette situation aussi bien sur les champs pétroliers terrestres que sur les champs pétroliers marins. Dans ce dernier cas, toutefois,20 les problèmes qui se posent sont plus complexes, du fait des emplacements limités, et plus encore à bord des installations flottantes, avec la nécessité d'équilibrer ces installations et d'amortir les phénomènes de roulis et de tangage à l'intérieur des séparateurs.25 Dans la pratique, on utilise habituellement comme séparateurs, aussi bien sur terre qu'en mer, des enceintes cylindriques, horizontales ou verticales, dont les dimensions ont été calculées de manière à assurer un temps de séjour suffisant au mélange triphasique pour que la30 séparation des différentes phases puisse s'effectuer, par décantation, coalescence, filtration ou autres, et que les entraînements d'une phase minoritaire dans une phase majoritaire soient réduits à un minimum. L'enceinte cylindrique est munie d'une entrée du mélange triphasique35 et de sorties d'évacuation, disposées à des niveaux différents, pour les trois phases à séparer, la sortie la plus basse servant à l'évacuation de l'eau, une sortie intermédiaire à celle de l'huile et la sortie disposée au plus haut niveau à l'évacuation des gaz. Ce type de séparateur n'est cependant pas adapté à des pétroles bruts moussants, car, lorsque la pression s'abaisse, il y a formation de mousse et le mélange résultant ne dispose pas d'un temps suffisant pour se séparer de façon satisfaisante avant l'évacuation par les différentes sorties. Pour résoudre ce problème, la Demanderesse a déjà proposé d'utiliser dans ces séparateurs triphasiques une structure statique, constituée notamment d'un ensemble de plaques, ondulées ou en nids d'abeille, qui présentent une grande surface de contact avec le mélange à séparer et qui sont revêtues d'un produit tensio-actif, dont le coefficient de tension superficielle est très inférieur à celui des liquides moussants du mélange (voir FR-A-2 551 357). La présente invention vise à obtenir un résultat analogue, à savoir casser les mousses susceptibles de se former dans un séparateur d'un mélange triphasique liquide-liquide-gaz, mais à l'aide d'une structure statique ne comportant pas d'enduction d'un produit tensio- actif. L'invention a également pour but de proposer l'utilisation d'une telle structure statique pour stabiliser un séparateur d'un mélange triphasique supporté par une installation flottante. Les études effectuées par la Demanderesse lui ont, en effet, permis d'établir que des structures utilisées habituellement comme garnissages de colonnes de distillation ou de colonne d'absorption peuvent être utilisées dans des séparateurs de mélanges triphasiques, aussi bien pour casser les mousses produites que pour stabiliser le séparateur. Ces garnissages comprennent de minces feuilles cannelées, éventuellement percées d'orifices et empilées de manière à former des cannelures ouvertes à leurs extrémités, les cannelures d'une même feuille étant décalées angulairement par rapport à celles des feuilles immédiatement contiguës de l'empilement, les différentes cannelures étant inclinées par rapport à l'axe de la colonne d'absorption ou de distillation. Des garnissages de ce type sont commercialisés, par exemple, par des sociétés du groupe SULZER, sous l'appellation MELLAPAK (marque déposée), notamment MELLAPAK (250Y), et SPP, et sont décrits, par exemple, dans les brochures commerciales de cette société. De façon surprenante, de telles structures de garnissage, disposées dans un séparateur d'un mélange triphasique à la partie supérieure de celui-ci, c'est-à- dire en contact au moins avec la phase gazeuse, se sont révélées aptes à casser efficacement les mousses formées. La présente invention a donc pour premier objet l'utilisation, dans un séparateur d'un mélange triphasique liquide-liquide-gaz, d'une structure de garnissage de type rappelé ci-dessus, disposée dans le séparateur de manière à être en contact avec la phase gazeuse, en vue de casser les mousses susceptibles de se former. La Demanderesse a également établi que de telles structures de garnissage, disposées dans un séparateur d'un mélange triphasique liquide-liquide-gaz, en contact avec au moins l'une des phases liquides, renforcent la stabilité d'un tel séparateur, lorsqu'il est disposé sur une installation flottante, en amortissant le tangage, et en supprimant ou amortissant les fréquences de ballottement ou de résonance du liquide. Un second objet de l'invention est donc l'utilisation, dans un séparateur d'un mélange triphasique liquide-liquide-gaz, destiné à équiper une installation flottante, d'une structure de garnissage du type rappelé ci-dessus, disposée de manière à être en contact avec au moins l'une des phases liquides du mélange, en vue de renforcer la stabilité de ce séparateur et d'amortir le tangage de celui-ci. On notera que les structures de garnissage de colonnes de distillation ou de colonnes d'absorption, dont la présente invention propose une nouvelle utilisation, sont des structures légères, disposées en remplacement de structures plus lourdes, qui allègent de façon sensible la masse des séparateurs triphasiques. Les essais effectués par la Demanderesse ont prouvé la grande efficacité de ces structures de garnissage pour casser les mousses, car elle a pu constater que la durée de vie des mousses produites lors de la séparation de mélanges triphasiques eau-huile- gaz était réduite au moins de moitié. Un autre objet de l'invention est constitué par un séparateur d'un mélange triphasique liquide-liquide-gaz du type comprenant une enceinte sensiblement cylindrique, disposée horizontalement ou verticalement, et munie d'un moyen d'admission du mélange triphasique et de moyens d'évacuation, respectivement, des trois phases séparées de ce mélange, ces moyens d'évacuation étant décalés en hauteur sur le séparateur, le moyen d'évacuation de la phase liquide la plus lourde étant disposé à la partie inférieure du séparateur, le moyen de séparation de la phase liquide la moins lourde étant disposé à un niveau intermédiaire et le moyen d'évacuation de la phase gazeuse étant disposé à la partie supérieure, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins une structure de garnissage du type rappelé ci- dessus, en contact avec la phase gazeuse et/ou au moins l'une des phases liquides séparées du mélange. Dans une forme de réalisation préférée d'un tel séparateur, qui sera décrite ci-après plus en détail, le séparateur de forme sensiblement cylindrique est disposé horizontalement, et il présente deux moitiés sensiblement symétriques par rapport à un plan médian perpendiculaire à son axe. Le moyen d'admission du mélange triphasique est situé à la partie supérieure du séparateur, sensiblement dans le plan médian perpendiculaire à son axe, tandis que les moyens d'évacuation des deux phases liquides sont situées à des niveaux décalés dans ce même plan médian et que le moyen d'évacuation de la phase gazeuse comprend deux conduits d'évacuation disposés à la partie supérieure du séparateur aux deux extrémités de celui-ci. Avantageusement, le mélange triphasique à séparer introduit dans le séparateur est déversé sur un déflecteur en forme de dièdre, dont l'arête est disposée sensiblement dans le plan médian perpendiculaire à l'axe et dont les deux faces sont inclinées symétriquement vers le bas, afin de diviser le flux du mélange en deux fractions sensiblement égales. Ces deux fractions empruntent symétriquement une structure à degrés, formant des marches d'escalier, qui freinent sans chocs la progression du mélange en direction des deux extrémités du séparateur, o les deux phases liquides se déversent vers le fond pour se séparer par décantation en une phase lourde (eau), qui sera évacuée par le moyen d'évacuation prévu en partie basse, et en une phase plus légère (huile), qui sera évacuée par le moyen d'évacuation prévu au niveau intermédiaire. Dans sa progression sur le déflecteur et sur la structure en marches d'escalier, le mélange est freiné sans chocs et la phase gazeuse peut ainsi se séparer des phases liquides sans formation excessive de mousse. Avant d'emprunter le moyen d'évacuation des gaz, ceux-ci traversent avantageusement un système de séchage à chicanes ou autres, permettant de séparer les dernières traces des phases liquides et de les évacuer par un drain vers la base du séparateur. Pour casser la mousse, qui risque néanmoins de se former, des structures de garnissage du type défini ci- dessus sont disposées à la partie supérieure du séparateur, au-dessus de la structure à degrés. Pour amortir les phénomènes de roulis et de tangage et accroître ainsi la stabilité du séparateur, lorsqu'il est supporté par une installation flottante, deux moyens sont avantageusement utilisés conjointement: d'une part, à la surface des marches de la structure à degrés, des arêtes font saillie vers le haut, par exemple parallèlement à l'axe du séparateur, de façon à s'opposer au phénomène de roulis, - d'autre part, à la partie inférieure du séparateur, 6 des structures de garnissage du type décrit ci-dessus sont noyées au moins partiellement dans les phases liquides, afin de s'opposer aux phénomènes de tangage et d'éviter les fréquences de résonance.5 Au moins un tube traversant le séparateur de haut en bas pourra être prévu pour le passage d'une sonde radioactive, connue de l'art antérieur dans cette disposition et cette fonction, permettant la détection des niveaux et au moins une cheminée traversant l'une des10 marches de la structure à degrés permettra le passage vers la partie haute du séparateur du gaz qui se sépare des phases liquides à la partie inférieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui sa suivre d'une forme de réalisation préférée d'un tel décanteur. Dans cette description on se référera aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est une demi-coupe longitudinale du séparateur par un plan vertical, suivant la ligne I-I de la figure 2; La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1; La figure 3 regroupe deux demi-coupes transversales, respectivement suivant les lignes III-III (partie a) et III'-III' (partie b) de la figure 1; La figure 4 est une vue en perspective à plus grande échelle représentant une structure de garnissage dont la présente invention propose une nouvelle application. Le séparateur représenté sur les figures 1 à 3 comporte un corps cylindrique 1, destiné à être disposé à l'horizontale en position d'utilisation et comprenant deux moitiés sensiblement symétriques par rapport à un plan vertical perpendiculaire à son axe. Un conduit 2 d'alimentation en mélange triphasique à séparer débouche par une hotte 3 à la partie supérieure centrale du corps 1, tandis qu'à la partie inférieure centrale de celui-ci débouche un conduit 4 d'évacuation de la phase eau et, à un niveau intermédiaire, toujours dans 7 la partie centrale du corps 1, un conduit 5 d'évacuation de la phase huile. Au voisinage des deux extrémités du corps débouchent à la partie supérieure du corps des conduits 6 d'évacuation de la phase gazeuse.5 Au droit du conduit 2 d'alimentation en mélange triphasique est disposé un déflecteur 26 en forme de dièdre, dont l'arête est disposée à l'horizontale, perpendiculairement à l'axe du corps 1, et dont les deux faces divergent en direction de la partie inférieure du10 corps 1. Ce déflecteur 26 a pour but, d'une part, de recevoir le flux du mélange à séparer, sans lui imposer de choc brutal susceptible de provoquer la formation d'un volume important de mousse, d'autre part, de diviser le flux du mélange en deux fractions sensiblement égales, qui15 sont évacuées en direction des deux extrémités opposées du corps 1. Le mélange triphasique s'écoule en empruntant une structure à degrés descendants 7, qui se raccorde à la base du déflecteur 26. Les degrés 7 évitent au mélange triphasique une chute brutale vers le fond du séparateur20 et contribuent ainsi également à éviter la formation d'un volume important de mousse. Par ailleurs, les degrés 7 offrent au mélange à séparer une importante surface d'échange, qui permet à la majeure partie du gaz présent de se séparer des phases liquides. Le degré 7 le plus bas25 plonge directement dans la phase liquide supérieure en lui évitant toute mise en contact brutale du mélange avec celle-ci. Au-dessus des degrés 7 sont disposées des structures 8a et 8b de garnissage, habituellement utilisées dans des colonnes de distillation ou d'absorption. Ces structures de garnissage, représentées sur la figure 4, sont constituées d'un empilement de feuilles cannelées 9, dont les arêtes des cannelures sont décalées angulairement d'une feuille à l'autre. Ces feuilles cannelées sont35 percées d'orifices 10. Le but de ces garnissages, dans les colonnes de distillation ou dans les colonnes d'absorption, est d'assurer un contact interne entre le gaz et le liquide présents, en vue d'accroître l'efficacité de la distillation ou de l'absorption. Dans le cas présent, la Demanderesse a établi que ces structures de garnissage ont la propriété de "casser" les mousses qui se forment dans le séparateur, en séparant très efficacement la phase gazeuse des phases liquides. Ces structures peuvent être réalisées en métal ou en matière plastique et, typiquement, elles sont en un complexe métal/propylène/métal. Elles sont peu lourdes et n'accroissent donc pas de façon sensible le poids du séparateur. Les structures 8a et 8b sont suspendues directement à la face interne de la paroi supérieure du corps 1. Le conduit 6 d'évacuation des gaz débouche dans une enceinte 11 à chicanes ou autres, dans laquelle les traces de liquide présentes dans la phase gazeuse achèvent de se séparer de celle-ci et sont évacuées par un drain 11, traversant la structure à degrés 7, vers la partie inférieure du séparateur. A cette partie inférieure, des structures de garnissage 12a, 12b, 12c, analogues aux structures 8a, 8b, sont supportées par la paroi inférieure du corps 1 et noyées au moins partiellement dans les phases liquides. Les structures 12a, 12b, 12c ont pour but de stabiliser le séparateur, lorsqu'il équipe une plate forme flottante, de supprimer les fréquences de résonance et d'amortir le tangage du séparateur. Dans le but d'amortir le roulis, les degrés 7 comportent des arêtes 13 faisant saillie à leur partie supérieure, parallèlement à l'axe du corps 1.30 Une cheminée 14, supportée par l'un des degrés 7 et communiquant à travers celui-ci avec la partie inférieure du séparateur, permet aux gaz qui se séparent des phases liquides, à la base du séparateur, d'être évacués vers la partie supérieure de celui-ci.35 Des tubes 15, traversant de haut en bas le séparateur, permettent le passage de sondes radioactives aptes à détecter les niveaux en service. Comme on le voit sur la figure 2, le conduit 5, destiné à la récupération de la phase huile, ne débouche pas directement dans le séparateur, mais est raccordé à un collecteur 16, muni de lumières 17, qui est disposé transversalement dans le corps 1, sensiblement à l'horizontale. On voit aussi, sur cette figure, que la hotte 3 est supportée par des profilés en U. 18, disposés transversalement à l'horizontale dans le corps 1 et dont les extrémités reposent sur des tasseaux 19 solidaires de la face interne du corps 1. Un séparateur de ce type, d'un poids inférieur à celui des séparateurs usuels, se révèle extrêment efficace pour la prévention de la formation des mousses et la destruction de celles-ci, puisque leur durée de vie est en moyenne deux fois plus courte qu'avec les séparateurs usuels. En outre, il est particulièrement bien adapté à une utilisation sur des installations flottantes, car il présente une grande stabilité, combat efficacement les phénomènes de roulis et de tangage et supprime les phénomènes de résonance. REVENDICATIONS 1.- Utilisation dans un séparateur d'un mélange triphasique liquideliquide-gaz d'une structure de garnissage habituellement utilisée dans des colonnes de distillation ou dans des colonnes d'absorption, cette structure étant constituée de minces feuilles cannelées percées d'orifices, empilées de manière à former des cannelures ouvertes à leurs extrémités, les cannelures d'une même feuille étant décalées angulairement par rapport à celles des feuilles immédiatement contiguës, cette structure de garnissage étant disposée dans le séparateur de manière à être en contact au moins partiellement avec la phase gazeuse, en vue de casser les mousses susceptibles de se former. 2.- Utilisation dans un séparateur d'un mélange triphasique liquide-liquide-gaz, destiné à équiper une installation flottante, d'une structure de garnissage habituellement utilisée dans des colonnes de distillation ou dans des colonnes d'absorption, cette structure étant constituée de minces feuilles cannelées, éventuellement percées d'orifices, empilées de manière à former des cannelures ouvertes à leurs extrémités, les cannelures d'une même feuille étant décalées angulairement par rapport à celles des feuilles immédiatement contiguës, cette structure de garnissage étant disposée dans le séparateur de manière à être en contact au moins partiellement avec au moins une phase liquide, en vue d'accroître la stabilité du séparateur et d'amortir le tangage. 3.- Séparateur d'un mélange triphasique liquide- liquide-gaz du type comprenant une enceinte sensiblement cylindrique (1), disposée horizontalement ou verticalement et munie d'un moyen d'admission (2) du mélange triphasique et de moyens d'évacuation (4,5,6), respectivement, des trois phases séparées de ce mélange, ces moyens d'évacuation étant décalés en hauteur sur le séparateur, le moyen d'évacuation (4) de la phase liquide la plus lourde étant disposé à la partie inférieure du séparateur (1), le moyen de séparation (5) de la phase liquide la moins lourde étant disposé à un niveau intermédiaire et le moyen d'évacuation (4) de la phase gazeuse étant disposé à la partie supérieure, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, en contact au moins partiel avec la phase gazeuse et/ou au moins l'une des phases liquides, une structure de garnissage habituellement utilisée dans des colonnes de distillation ou dans des colonnes d'absorption, cette structure étant constituée de minces feuilles cannelées percées d'orifices, empilées de manière à former des cannelures ouvertes à leurs extrémités, les cannelures d'une même feuille étant décalées angulairement par rapport à celles des feuilles immédiatement contiguës. 4.- Séparateur selon la revendication 3, comportant un corps sensiblement cylindrique (1) disposé horizontalement, caractérisé en ce qu'il présente deux moitiés sensiblement symétriques par rapport à un plan médian perpendiculaire à son axe, le moyen d'admission (2) du mélange triphasique étant situé à la partie supérieure du séparateur, sensiblement dans le plan médian perpendiculaire à son axe, tandis que les moyens d'évacuation (4,5) des deux phases liquides sont situées à des niveaux décalés dans ce même plan médian et que le moyen d'évacuation de la phase gazeuse comprend deux conduits (6) d'évacuation disposés à la partie supérieure du séparateur aux deux extrémités de celui-ci. 5.- Séparateur selon la revendication 4, caractérisé an ce que le moyen (2) d'admission du mélange triphasique est disposé à l'aplomb d'un déflecteur (26) en forme de dièdre, dont l'arête est disposée sensiblement dans le plan médian perpendiculaire à l'axe et dont les deux faces sont inclinées symétriquement vers le bas, afin de diviser le flux du mélange en deux fractions sensiblement égales. 6.- Séparateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les faces latérales du séparateur (26) se raccordent à une structure descendante à degrés (7) sur laquelle s'écoule le mélange à séparer. 7.- Séparateur selon la revendication 6, caractérisé 12 en ce que les degrés (7) comportent des arêtes (13) faisant saillie à leur surface supérieure, de préférence parallèlement à l'axe du corps (1) en vue d'amortir les phénomènes de roulis.5 8.Séparateur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le moyen (6) d'évacuation des gaz débouche dans une enceinte (11) à chicanes apte à séparer des gaz les traces de liquides entraînées. 9.- Séparateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est équipée d'un moyen (22) d'évacuation en direction de la phase liquide des traces de liquide entraînées par les gaz. 10.- Séparateur selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que des structures de garnissage (8a, 8b) sont disposées au-dessus de la structure à degrés (7). 11.- Séparateur selon l'une des revendications 6 à , caractérisé en ce que des structures de garnissage (12a, 12b, 12c) sont disposées au-dessous de la structure à degrés (7) et sont au moins partiellement noyées dans une ou les deux phases liquide en vue d'amortir les phénomènes de tangage. 12.- Séparateur selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que l'un au moins des degrés (7) de la structure à degrés comporte une cheminée (14) traversant ce degré (7) et débouchant dans la partie supérieure du séparateur.