Brevet FR2717106A1 — publié le 19950915

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PULVERISATION D'UN LIQUIDE, NOTAMMENT D'UN LIQUIDE A HAUTE VISCOSITE, A L'AIDE D'AU MOINS UN GAZ AUXILIAIRE. La présente invention concerne un procédé de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire. Le procédé et le dispositif selon l'invention ont été particulièrement étudiés pour la pulvérisation de combustibles en vue de leur combustion, mais, bien évidemment, ils peuvent être utilisés pour la pulvérisation de liquides en vue d'autres applications. Il sera fait référence ci-après, pour situer le problème posé, à la combustion de produits provenant du raffinage du pétrole brut, notamment de fuels, mais la solution apportée par l'invention peut être utilisée pour résoudre des problèmes équivalents, comme il le sera expliqué dans la suite de la présente description. Le raffinage du pétrole brut produit, à l'heure actuelle, des produits lourds, de plus en plus visqueux, provenant d'unités de conversion. Pour obtenir une bonne combustion de ces produits lourds, il est nécessaire qu'ils soient pulvérisés en fines gouttelettes, dont le diamètre soit assez petit, de l'ordre de 100 millièmes de millimètre. On estime que, pour obtenir cette taille de gouttelettes, il est nécessaire que la viscosité du produit soit ramenée à moins de 20 mm2/s, à la température de pulvérisation. Pour des produits dont la viscosité à 1000C est de 4000 mm2/s, il est nécessaire d'employer des températures de pulvérisation de 200 C à 230 C, de façon à ramener la viscosité du produit à environ 20 mm2/s et à réaliser une bonne pulvérisation par les moyens de pulvérisation habituels. Si l'on ne veut pas avoir recours à des températures trop élevées, économiquement peu intéressantes, on est obligé de fluxer (diluer)en partie les produits lourds visqueux par des distillats moyens, dont l'industrie du raffinage est déficitaire, et donc d'augmenter la production de fuels lourds, dont le raffinage est excédentaire. Si on essaie d'utiliser les procédés habituels de pulvérisation à des températures plus faibles sans fluxer le combustible, on est amené à employer ce combustible à des viscosités plus élevées, mais la pulvérisation mécanique nécessite alors des pressions élevées, de l'ordre de 2.107 pascals, à 2000C, pour un produit d'une viscosité de 400 mM2/s à 2000C, ce qui, naturellement, est un inconvénient. Dans sa demande de brevet français FR-A-2 662 377, la Demanderesse a déjà proposé de pulvériser des combustibles visqueux à des viscosités plus élevées que celles généralement mise en oeuvre et donc à des températures plus faibles, en élaborant, dans le dispositif de pulvérisation, un film de fluide visqueux, qui est ensuite pulvérisé en fines gouttelettes à l'aide de deux flux de fluides gazeux. Ce procédé antérieur comprend la mise en oeuvre: - d'un flux annulaire dudit liquide, - d'un flux annulaire d'un gaz primaire, - d'un flux annulaire d'un gaz secondaire, identique ou non au précédent, et il consiste: a) à conduire le flux de liquide à l'intérieur dudit flux de gaz primaire dans le sens d'écoulement de celui- Ci, b) à réaliser un film mince annulaire de liquide, en conduisant les flux coaxiaux de liquide et de gaz primaire sur la périphérie d'un anneau dont l'une des extrémités libres est conformée en forme d'arête, c) à pulvériser le liquide à l'extrémité de ladite arête par l'action combinée dudit flux de gaz primaire et du flux de gaz secondaire s'écoulant à l'intérieur de l'anneau dans le même sens que ledit flux de liquide et ledit flux de gaz primaire. Selon la demande de brevet précitée, ce procédé est caractérisé en ce que le rapport de la masse totale de gaz par rapport à la masse totale liquide est inférieur à 0,5. Les vitesses des flux de gaz primaire et secondaire sont soniques à la hauteur de l'arête. Dans cette demande de brevet, sont également décrits un dispositif de pulvérisation mettant en oeuvre ce procédé et l'utilisation de ce dispositif et de ce procédé pour la pulvérisation de combustibles liquides, notamment de combustibles lourds et visqueux, en vue de leur combustion. Les gaz utilisés peuvent être de l'air, de la vapeur d'eau, du gaz de raffinerie, dans le cas de la combustion d'un fuel, ou de la vapeur d'eau, dans le cas d'une pulvérisation préalable dudit fuel. En poursuivant ses travaux sur ce type de procédé et de dispositif, la Demanderesse a ensuite établi qu'un moyen simple et facile à mettre en oeuvre pour obtenir une répartition homogène des gouttelettes de liquide, sans altérer la qualité de la dispersion réalisée par ces dispositifs à nappe annulaire de liquide, consiste à placer au moins un obstacle en travers d'une partie de la nappe de liquide, cet obstacle ayant pour effet de déchirer localement cette nappe et d'y créer une discontinuité, qui modifie la trajectoire des gouttelettes. Cette technique a fait l'objet de sa demande de brevet français FR-A-2 692 502. De tels procédés et dispositifs de pulvérisation avec formation d'un préfilm présentent toutefois l'inconvénient que l'espace annulaire utilisé pour réaliser le flux annulaire de liquide a habituellement, perpendiculairement à la direction de déplacement du liquide, une dimension réduite, la plupart du temps largement inférieure à 1 mm, ce qui entraîne de sérieux risques de bouchage par des particules en suspension dans le liquide. Pour pouvoir supprimer ou limiter ces risques de bouchage, il est préférable que les espaces annulaires dans lesquels circulent aussi bien le liquide que les gaz auxiliaires aient une dimension transversale minimum au moins égale à un millimètre. Avec un tel choix de dimensions, la Demanderesse a établi qu'il est possible d'utiliser non plus des injecteurs avec formation d'un préfilm, mais des systèmes utilisant des conduits, tant pour la circulation du liquide à pulvériser que pour le passage du ou des gaz auxiliaires, l'emploi de conduits facilitant la réalisation de l'injecteur. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé et un dispositif de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire, dans lesquels les risques de bouchage des conduits soient réduits. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire, dans lequel le liquide circule dans une pluralité de premiers conduits munis chacun d'un orifice de pulvérisation, caractérisé en ce que le gaz auxiliaire est injecté latéralement sous pression dans le premier conduit en au moins deux emplacements distincts, en amont de l'orifice de pulvérisation. Le gaz auxiliaire pourra avantageusement être de l'azote, de la vapeur d'eau, de l'air ou un gaz combustible. L'invention a également pour objet un dispositif de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire sous pression, ce dispositif comprenant une pluralité de premiers conduits, alimentés en liquide à pulvériser, ces conduits comprenant chacun un orifice de pulvérisation, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'à chaque premier conduit sont associés deux seconds conduits connectés à une source de gaz auxiliaire sous pression, ces seconds conduits débouchant latéralement dans le premier conduit en deux emplacements distincts. Les seconds conduits pourront converger vers un meme point de 1'axe de chaque premier conduit ou être raccordés à celui-ci en des emplacement décalés. De préférence, les axes des deux seconds conduits feront avec l'axe du premier conduit des angles égaux, compris entre 0 et 90 . Comme indiqué ci-dessus, afin de limiter les risques de bouchage, les premiers et les seconds conduits auront une dimension transversale de préférence au moins égale à 1 mm. Comme on le verra ci-après, dans la description d'une forme de mise en oeuvre préférée de l'invention, le dispositif conforme à l'invention comprendra avantageusement une tête comportant une pluralité de premiers conduits, dont les orifices de pulvérisation sont régulièrement répartis suivant une couronne circulaire sur la tête du dispositif. De préférence, les différents premiers conduits du dispositif seront alimentés en liquide à pulvériser à partir d'une unique première canalisation d'alimentation, tandis que les différents seconds conduits seront alimentés en gaz sous pression à partir d'une unique seconde canalisation d'alimentation, par exemple à section annulaire et concentrique à la première canalisation. Dans la description détaillée de cette forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention qui va suivre, on se référera aux dessins annexés,dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe axiale du dispositif, suivant la ligne I-I de la figure 2; La figure 2 est une vue de bout du dispositif suivant la flèche F de la figure 1; La figure 3 est une vue de détail illustrant un exemple de raccordement des premiers et seconds conduits du dispositif. Ce dispositif comprend une tête de pulvérisation 1, rendue solidaire d'une canalisation cylindrique 2 par un collier 3, vissé sur la canalisation 2. Dans la canalisation 2, coaxialement à celle-ci, est disposée une canalisation 4 d'alimentation en liquide à haute viscosité à pulvériser, tandis que le gaz auxiliaire sous pression utilisé pour la pulvérisation circule dans l'espace 5 séparant les canalisations 2 et 4. Dans un but de simplification, la tête 1 a été représentée réalisée en une seule pièce. Il est évident que, pour des raisons d'usinage, il faut qu'elle le soit en plusieurs pièces. Cet usinage est naturellement à la portée de l'homme de l'art. Dans la partie de la tête 1 au contact du tube 2 sont prévus, parallèlement à l'axe de la canalisation 4, d'une part, des conduits 9, communiquant avec l'espace 5 et alimentés par conséquent en gaz auxiliaire, d'autre part, des conduits 10, qui communiquent avec la canalisation 4 d'amenée du liquide à pulvériser. Les conduits 10 communiquent à leur autre extrémité, par l'intermédiaire d'une chambre torique 10', avec des conduits 11, inclinés par rapport à l'axe de la tête et débouchant à l'extérieur de celle-ci suivant des orifices 12 de pulvérisation du liquide alimentant ces conduits 11. Dans les conduits 11, à proximité immédiate des orifices 12, débouchent latéralement deux conduits 13 et 14, alimentés en gaz auxiliaire à partir des conduits 9. Les conduits 13 communiquent avec les conduits 9, par l'intermédiaire d'une chambre torique 9' tandis que les conduits 14 sont raccordés à un conduit axial 15, communiquant par des conduits 16, inclinés pr rapport à l'axe, avec les conduits 9. Le liquide emprunte donc successivement le tube 4, les conduits 10 et les conduits 11, tandis que le gaz auxiliaire circule successivement dans l'espace annulaire , les conduits 7 et 9, puis par les conduits 13 ou par les conduits 16, 15 et 14. Comme on le voit sur la figure 3, les conduits 13 et 14 feront avec le conduit 11 des angles a1 et a2 compris entre 0 et 90 . Les angles al et a2 pourront être égaux et de l'ordre de 45". Les conduits 13 et 14 pourront converger en direction d'un même point de l'axe du conduit 11 ou, comme représenté, se raccorder à celui-ci en des emplacements décalés. L'exemple qui suit illustre l'application du dispositif à la pulvérisation d'un liquide à forte viscosité, à savoir de l'huile. EXEMPLE Le dispositif utilisé présente les caractéristiques suivantes: - nombre de conduits 11 et d'orifices 12 de pulvérisation: 6, - diamètre des conduits 11: 1,7 mm, - diamètre des conduits 13 et 14: 1,7 mm, - angles a 1 et a2: 450, - décalage entre les points de raccordement au conduit 11 des conduits 13 et 14: 0, - distance de ces points de raccordement à l'orifice 12: 2 mm. Les conditions des essais sont les suivantes: Huile - débit de l'huile: 33 kg/h, - pression de l'huile: 9,5. 105pascals, - viscosité de l'huile: 200 mogs à 20"c. - fluide auxiliaire: azote, - pression du fluide auxiliaire: 6,5. 105pascals, - taux massique de l'azote par rapport à l'huile: 30 % massique. Avec ce liquide à haute viscosité et dans les conditions indiquées cidessus, le diamètre moyen des gouttelettes à la sortie du dispositif est de 35 microns, % des gouttelettes ayant un diamètre inférieur à 120 microns et 99 % d'entre elles ayant un diamètre inférieur à 290 microns. Ces essais mettent en évidence l'efficacité du procédé et du dispositif conforme à l'invention, lorsqu'on les applique à la pulvérisation de liquides à viscosité élevée, tels que ceux utilisés comme combustibles. REVENDICATIONS 1.Procédé de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire, dans lequel le liquide circule dans une pluralité de premiers conduits (11) munis chacun d'un orifice de pulvérisation (12), caractérisé en ce que le gaz auxiliaire est injecté latéralement sous pression dans le premier conduit (11) en au moins deux emplacements distincts, en amont de l'orifice de pulvérisation. 2. Dispositif de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire sous pression, ce dispositif comprenant une pluralité de premiers conduits (11), alimentés en liquide à pulvériser, ces premiers conduits comprenant chacun un orifice de pulvérisation (12), ce dispositif étant caractérisé en ce qu'à chaque premier conduit (11) sont associés deux seconds conduits (13,14) connectés à une source de gaz auxiliaire sous pression, ces deux seconds conduits (13,14) débouchant latéralement dans le premier conduit (12) en deux emplacements distincts. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux seconds conduits (13,14) débouchent dans le premier conduit (11) en des emplacements disposés sensiblement dans un même plan perpendiculaire à l'axe du premier conduit (1). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux seconds conduits (13,14) débouchent dans le premier conduit (11) en deux emplacements décalés longitudinalement. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les axes des deux seconds conduits (13,14) font avec l'axe du premier conduit (11) des angles (aC, a2) compris entre 0 et 90 . 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le premier conduit (11) et les seconds conduits (13,14) ont une dimension transversale au moins égale à 1 mm. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une tête (1) comprenant une pluralité de premiers conduits (11), dont les orifices de pulvérisation (12) sont disposés régulièrement suivant une couronne circulaire. 8. Dispositif selon l'une des revendication 2 à 10, caractérisé en ce que les différents premiers conduits (11) sont alimentés en liquide à pulvériser à partir d'une unique canalisation d'alimentation (4), tandis que les seconds conduits (12) sont alimentés en gaz auxiliaire sous pression à partir d'une unique canalisation (9) à section annulaire, concentrique à la canalisation (4) d'alimentation en fluide.