Brevet FR2774008A1 — publié le 19990730

Procédé destiné à mélanger des produits dans une cuve et dispositifs de mises en oeuvre dudit procédé. Dans de nombreuses applications industrielles, on peut être amené à mélanger des fluides dans une cuve, le mot fluide étant pris au sens large et pouvant recouvrir aussi bien des fluides différents qu'un même fluide ayant des propriétés non homogènes, par exemple une température non homogène. Pour réaliser cette opération, il existe sur le marché plusieurs procédés connus, parmi lesquels les suivants - Les mobiles d'agitation entraînés par un moteur externe généralement situé sur l'axe de la cuve et souvent muni d'un réducteur. Ce sont les appareils les plus courants, la forme du mobile d'agitation pouvant varier selon les constructeurs, mais faisant l'objet de classifications fonction du type de fluide à mélanger et tout spécialement de sa viscosité. Ces appareils sont souvent chers, impliquent la mise en oeuvre de couples importants et sont d'une efficacité médiocre si on ne met pas en oeuvre des puissances très supérieures aux stricts besoins du mélange. Ils impliquent souvent de mettre en oeuvre des joints d'étanchéité difficiles à réaliser et donc chers. - Les modules d'agitation immergés. Ils utilisent souvent des hélices ou des pompes axiales placées en un point du réservoir. I1 est souvent difficile d'intéresser l'ensemble de la cuve, à moins de mettre en oeuvre plusieurs agitateurs ou d'utiliser des puissances importantes. - Les mélangeurs à pompe externe. Ils utilisent une tuyauterie perforée de prélèvement du fluide et, en général, une tuyauterie de restitution également perforée. Ces appareils ont été initialement développés par nous mêmes et la société SPRETEC. (Brevet N" 8707273). Au contraire des autres mélangeurs qui brassent le fluide de manière aléatoire, ce procédé permet d'aspirer progressivement tout le fluide présent dans la cuve en évitant de mélanger les diverses espèces entre elles avant homogénéisation, le tube de prélèvement étant muni de perforations destinées à effectuer cette opération en dosant les débits aspirés proportionnellement aux quantités relatives des produits dans la cuve. Le tube de prélèvement est le plus souvent vertical et muni de perforations régulières. I1 s'établit donc un écoulement d'aspiration horizontal en masse dans la cuve, le fluide pénétrant dans cette tuyauterie de prelêvement tant donc représentatif de í'cnsemblc des strates de fluides présents dans la cuve. Le fluide ainsi prémélangé est pompé, subit éventuellement une opération de mélange plus intime dans un mélangeur en ligne. Il est ensuite utilisé en sortie de cuve ou réintroduit dans celle ci, I'introduction se faisant alors en évitant les mélanges avec les espèces non encore mélangées, par exemple au travers d'une tuyauterie verticale perforée sur toute la hauteur de la cuve. Ces mélangeurs à pompe externe sont connus sous le nom commercial de Mix'In et sont commercialisés par la société SPRETEC. Ils permettent un gain appréciable sur les investissements, atteignant couramment un facteur 3 ou 4. Ils permettent d'homogénéiser les espèces sans créer de gradients aléatoires pouvant entrainer des baisses de qualité du produit final. Ils utilisent des composants industriels du commerce, ce qui diminue les coûts d'investissement et d'entretien. Enfin, leurs performances sont calculables au moyen de codes de dimensionnement mettant en oeuvre des principes simples de mécanique des fluides. De tels mélangeurs utilisés en particulier dans l'industrie chimique ont permis de résoudre des problèmes cruciaux de stockage et de process, après l'échec répété des techniques traditionnelles et pour des coûts beaucoup plus faibles. L'un des problèmes supplémentaires à résoudre concerne le mélange dans des cuves dont le niveau n'est pas constant. C'est un cas très souvent rencontré dans les cuves de stockage. C'est aussi une situation qui, si elle était correctement résolue, pourrait apporter de la souplesse à la réalisation de certains procédés fonctionnant en batch. On pourrait en effet travailler sur des quantités de produit variables. Les mélangeurs traditionnels à mobiles ne donnent pas une réponse satisfaisante à ce problème. Les mélangeurs à colonnes et à pompe peuvent être utilisés en mettant par exemple en oeuvre une pompe à vitesse variable ou des tuyauteries de prélèvement surdimensionnées, qui risquent de ce fait de ne pas fonctionner de manière satisfaisante. La présente invention est relative à un procédé de prélèvement et de mélange de fluides initialement contenus dans une cuve. caractérisé en ce que lesdits fluides à mélanger sont aspirés dans une pluralité de tuyauteries de prélèvement quasi verticales régulièrement perforées immergées dans la cuve. lesdites tuyauteries de prélèvement présentant un point commun à leur aval, point auquel les flux desdits fluides se rejoignent dans un circuit commun, ledit circuit étant muni de moyens mécaniques permettant l'aspiration dans la cuve et la circulation desdits fluides, les fluides ainsi rassemblés étant mélangés puis refoulés hors dudit circuit par lesdits moyens mécaniques, caractérisé en ce que les perforations desdites tuyauteries de prélèvement sont régulièrement espacées, de telle sorte que l'on crée une aspiration régulière dans le sens vertical de ladite cuve, ayant pour effet d'aspirer les différentes strates des fluides présents dans ladite cuve de telle sorte que ces strates se déplacent quasi horizontalement et que le prélèvement ainsi réalisé formant mélange ait une composition en les différents fluides de la cuve quasi égale à la composition moyenne de la cuve en les différents fluides qu'elle contient, lesdites tuyauteries étant munies de dispositifs permettant d'adapter la surface totale des perforations lorsque le niveau de fluide varie dans la cuve. Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit de prélèvement est muni d'une pompe permettant de faire circuler le mélange et par exemple de le réintroduire dans la cuve. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, I'écoulement dans le circuit de prélèvement est simplement réalisé par vidange gravitaire. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, la mise en service ou hors service des diverses tuyauteries perforées se fait par ouverture ou fermeture de vannes commandées par des capteurs de niveau. Selon un quatrième mode de l'invention, la mise en service ou hors service des tuyauteries perforées se fait au moyen de clapets commandés automatiquement par un flotteur lorsque le niveau dans la cuve atteint une certaine valeur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles La figure 1 donne une représentation de l'invention dans lequel sont représentées une cuve, quatre tuyauteries perforées munies à leur base de vannes commandées par un capteur de pression et un circuit de prélèvement destiné à vider la cuve sous l'effet de la gravité. La figure 2 donne une représentation de l'invention dans laquelle le circuit de prélèvement est muni d'une pompe et d'un mélangeur en ligne réglable permettant d'homogénéiser le mélange selon des critères d'échelle prédéfinis. En se référant aux figures annexées 1 et 2, on va décrire différents modes de réalisation du dispositif de prélèvement et mélange. La figure 1 montre un ensemble constitué d'une cuve 101 contenant une pluralité de liquides 102, 103, 104, 105 stratifiés en raison de la différence de leur masse volumique ou de l'ordre de remplissage de la cuve. La cuve est munie de quatre tuyauteries perforées verticales 106, 107, 108, 109 de hauteurs différentes dont les trois plus courtes ont chacune une vanne 110, 111, 112 à leur partie inférieure. Ces tuyauteries sont reliées à un caisson collecteur 113 puis à une tuyauterie d'évacuation 114 munie d'une vanne d'arrêt et de réglage 115. Les fluides prélevés dans la cuve sont ensuite évacués en 116, par exemple vers une autre cuve mobile ou non. Les perforations 117, 118, 119 et 120 sont réparties sur toute la hauteur des tuyauteries correspondantes de telle sorte qu'elles aspirent chacune un débit de liquide provenant de la strate située à leur niveau. On crée ainsi sur toute la hauteur de la cuve un écoulement quasi horizontal se dirigeant régulièrement vers les tuyauteries en fonctionnement selon les flèches 135. Le débit par unité de hauteur de fluide prélevé est constant moyennant un dimensionnement hydraulique correct des orifices et des tuyauteries, qui fait partie du savoir faire de l'homme de l'art. Le débit sortant de chacune des tuyauteries en fonctionnement est par conséquent composé de débits secondaires correspondant à chacun des orifices en fonction dont la proportion par rapport au débit total est la même que la proportion en volume de chacune des strates intéressée par chacun desdits orifices par rapport au volume total de fluide dans la cuve. I1 en va de même pour le débit sortant par la tuyauterie de prélèvement 114 qui est la somme des débits sortant des tuyauteries. Pour atteindre cette condition, il faut que l'extrémité supérieure 122, 123, 124 et 125 des tuyauteries en fonctionnement soit située au dessus du niveau 121 dans la cuve. On voit qu'on a ainsi constitué un système de prélèvement représentatif de la composition de la cuve, et ceci quel que soit le niveau dans celleci. Lorsque le niveau dans la cuve descend, le débit évacué au travers de la tuyauterie 106 peut diminuer par exemple en raison de l'augmentation des pertes de charge dues à la diminution du nombre d'orifices. Pour éviter que les temps de vidange deviennent prohibitifs, le fonctionnement de la cuve selon l'invention consiste à mettre en oeuvre successivement les tuyauteries 107, 108 et 109 à mesure que le niveau atteint les extrémités supérieures 123, 124 et 125 de ces tuyauteries. Ceci se fait simplement en ouvrant les vannes 110, 111 et 112 lorsque le niveau détecté par le capteur 126 muni d'une électronique de commande 127 atteint le sommet de chaque tuyauterie. Cette électronique de commande est reliée aux vannes par l'intermédiaire des câbles électriques 128, 129 et 130. En ouvrant successivement chacune des vannes 110, 111 et 112, on augmente ainsi le nombre d'orifices en service et par conséquent le débit. A titre d'exemple, on peut imaginer une cuve de 20 m de hauteur et de 30 m de diamètre contenant des hydrocarbures alimentant des camions de transport. Le débit passant dans la tuyauterie 114 est de 80 m3/h. Le diamètre de chacune des tuyauteries verticales est de 100 mm. Leurs hauteurs sont respectivement de 20, 10, 5 et 2.5 m pour les tuyauteries 106, 107, 108 et 109. Elles sont percées de 200 orifices de 15 mm de diamètre pour la tuyauterie 106 et de 100 orifices également de 15 mm pour les autres. La tuyauterie de sortie 114 est en diamètre 100 mm. Pour des raisons de compréhension, les dimensions relatives des tuyauteries et de la cuve sont tronquées sur la figure 1. On peut cependant imaginer que l'équipement ainsi réalisé est particulièrement bon marché, qu'il ne comporte aucune pièce mobile à l'exception des vannes et qu'il est donc d'une totale fiabilité tout en étant peu onéreux. De plus, le prélèvement est parfaitement représentatif des concentrations des liquides contenus dans la cuve. La figure 2 donne une autre exemple de réalisation de l'invention dans laquelle le prélèvement est assuré par une pompe qui réinjecte le fluide, après mélange intime dans un mélangeur, de manière régulière sur toute la hauteur du liquide contenu dans la cuve. On retrouve la cuve 201 contenant les constituants stratifiés 202 et 203. Les tuyauteries d'aspiration 206, 207, 208 et 209 sont perforées régulièrement sur toute leur hauteur par des orifices 217, 218, 219 et 220. Elles sont munies à leur partie inférieure de clapets 273, 274 et 275 reliés par des tiges à des flotteurs 230, 231 et 232 placés en partie supérieure desdites tuyauteries. Ces clapets se ferment lorsque le niveau de liquide 221 passe au dessus des extrémités supérieures des tuyauteries. Les tuyauteries sont reliées à la boite collectrice 213. Le liquide sortant de cette boite est ensuite aspiré dans la tuyauterie 214 par l'intermédiaire de la pompe 242 entraînée par le moteur 243. Le fluide passe ensuite selon les flèches 245 dans un mélangeur 240 muni d'orifices 241 permettant d'affiner encore le mélange avant réinjection dans la cuve. La réinjection du mélange s'effectue par les 4 colonnes 256, 257, 258 et 259, identiques aux tuyauteries d'aspiration. Les trois plus courtes sont munies de clapets 263, 264 et 265 reliés par des tiges aux flotteurs 260, 261 et 262 qui ferment les tuyauteries lorsque le niveau dépassent l'extrémité supérieure des tuyauteries sur lesquelles ils sont installés. Le fonctionnement de l'ensemble est le suivant : les tuyauteries mises en fonction sont celles dont l'extrémité supérieure n'est pas submergée. Dans l'exemple de la figure 2, le niveau 222 est compris entre l'extrémité supérieure de la colonne 207 et celle de la colonne 208. Les tuyauteries en fonction sont donc dans ce cas la tuyauterie 206, qui l'est toujours et la tuyauterie 207 dont le clapet 273 est alors ouvert. Les clapets 274 et 275 étant fermés, les tuyauteries 208 et 209 ne sont pas en fonctionnement. De même. côté réinjection, et pour les mêmes raisons, seules les tuyauteries 256 et 257 sont en fonctionnement, les tuyauteries 258 et 259 étant fermées. La pompe 242 aspire le fluide dans la cuve, celui-ci se déplaçant quasi horizontalement selon les flèches 235 vers ceux des orifices 217 et 218 qui sont immergés. Le prélèvement ainsi réalisé est représentatif des espèces présentes dans la cuve. Le flux passe dans la pompe 242, puis dans le mélangeur 240 qui rend le mélange plus intime. Il passe au travers de la vanne 270 qui est ouverte. Le flux ainsi mélangé est ensuite normalement réinjecté dans la cuve au travers de la boite de distribution 264 puis des orifices immergés des colonnes en fonctionnement, à savoir, dans cet exemple, la colonne 256 et la colonne 257. On utilise également le même circuit de pompage pour vidanger la cuve au travers de la vanne 215 et de la sortie 216, la vanne 270 étant fermée. L'ensemble ainsi constitué permet de réaliser un mélange intime en un temps de l'ordre de grandeur du rapport du volume de la cuve au débit passant dans la pompe. En général, il faut prévoir deux fois ce temps pour obtenir un mélange très intime. Le temps de mélange est donc proportionnel à la hauteur de fluide dans la cuve. A titre d'exemple, la cuve a une hauteur de 10 m et un diamètre de 6 m. Elle contient des fluides de densités différentes dont la viscosité dynamique est de 1000 Pa.s. Les tuyauteries d'aspiration et de refoulement ont respectivement des hauteurs de 10, 5, 2.5 et 1.25 m en allant de la plus haute à la plus petite. La pompe à palettes 242 a un débit de 30 m3/h. Les tuyauteries ont des diamètres de 200 mm pour les plus grandes et de 150 mm pour les autres. Elles sont percées de 100 orifices de diamètre 12 mm pour les deux plus grandes, côté aspiration et côté refoulement et de 50 orifices de diamètre 12 mm pour les 6 plus petites, situées également de chaque côté. L'ensemble ainsi constitué permet de réaliser le mélange des espèces en environ 18 heures lorsque la cuve est totalement pleine. Le mélange peut être réalisé quelle que soit la hauteur de liquide comprise entre 10 m et 50 cm. Ces deux figures doivent être considérées comme l'illustration de deux modes de réalisation de l'invention, mais d'autres dispositions équivalentes peuvent être mises en oeuvre par l'homme de l'art. REVENDICATIONS . 1 Procédé de prélèvement et de mélange de fluides initialement contenus dans une cuve 101, 201, caractérisé en ce que lesdits fluides à mélanger 102, 103, 104, 105, 202, 203 sont aspirés dans une pluralité de tuyauteries quasi verticales 106, 107, 108, 109, 206, 207, 208, 209 régulièrement perforées immergées dans la cuve, lesdites tuyauteries présentant un point commun 113, 213 à leur aval, point auquel les flux desdits fluides se rejoignent dans un circuit commun 114, 214, ledit circuit étant muni de moyens mécaniques 115, 242 permettant l'aspiration dans la cuve et la circulation desdits fluides, les fluides ainsi rassemblés étant mélangés puis refoulés hors dudit circuit par lesdits moyens mécaniques, caractérisé en ce que les perforations desdites tuyauteries de prélèvement sont régulièrement espacées, de telle sorte que l'on crée une aspiration régulière dans le sens vertical de ladite cuve, ayant pour effet d'aspirer les différentes strates des fluides présents dans ladite cuve de telle sorte que ces strates se déplacent quasi horizontalement et que le prélèvement ainsi réalisé formant mélange ait une composition en les différents fluides de la cuve quasi égale à la composition moyenne de la cuve en les différents fluides qu'elle contient, lesdites tuyauteries étant munies de dispositifs permettant d'adapter la surface totale des perforations lorsque le niveau de fluide varie dans la cuve. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aspiration des fluides dans les tuyauteries perforées et la circulation du mélange dans le circuit 114 est assurée gravitairement par ouverture d'une vanne 115. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aspiration des fluides et la circulation du mélange dans le circuit 214 est assurée par une pompe 242. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'adaptation de la surface totale des perforations des tuyauteries de prélévement se fait par la mise en service et par la mise hors service de certaines des tuyauteries. 5. Procédé selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que la mise en service et la mise hors service des tuyauteries 207, 208, 209 se font par l'ouverture et la fermeture de vannes 110, 111, 112 commandées par un capteur de niveau 126. 6. Procédé selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que la mise en service et la mise hors service des tuyauteries se font par ouverture et fermeture de clapets 273, 274, 275 reliés à des flotteurs 230, 231, 232, cesdits flotteurs ouvrant les clapets correspondants lorsque le niveau dans la cuve devient inférieur au sommet de la tuyauterie à laquelle ils sont reliés. 7. Procédé selon les revendication 1, 3 et l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que le mélange est réintroduit dans la cuve 201, cette réintroduction se faisant en agitant le moins possible les fluides contenus dans la cuve. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le mélange est réintroduit dans la cuve 201 au moyen d'une pompe 242 et d'un circuit 245 au travers d'une pluralité de tuyauteries verticales 256, 257, 258 et 259 perforées régulièrement sur toute leur hauteur, ladite réintroduction du mélange se faisant de manière régulière selon la hauteur, chacune desdites tuyauteries étant mise en service lorsque le niveau 221 dans la cuve devient inférieur au sommet de ces dites tuyauteries. 9. Procédé selon la revendication 1 et selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que le mélange passe dans un mélangeur de finition 240 situé sur le circuit commun 214, cedit mélangeur de finition étant destiné à l'homogénéiser encore plus finement les fluides prélevés.