Brevet FR3045399A1 — publié le 20170623

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la séparation des particules liquides d'un écoulement gazeux, et plus particulièrement un dispositif de séparation gaz/liquide à chicanes à large plage de modulation. Dans de nombreux procédés industriels, les phases gazeuse et liquide doivent être séparées pour respecter des normes environnementales, purifier le ou les gaz produits par un ou des procédés, augmenter la récupération de liquide, et/ou protéger les équipements en aval. De nombreuses technologies de séparation existent pour cela. Elles sont basées sur le différentiel des forces d'accélération s'appliquant sur un gaz et un liquide : inertie, gravitation, centrifuge, électrostatique etc. Parmi ces technologies, on peut citer les matelas coalesceurs, ou « wire mesh » en anglais, divulgués dans le document US 7364604, les séparateurs à chicanes ou « vane pack » en anglais comme décrits dans les documents US 8444732, US 4668256 et US 7309367, les séparateurs de type cyclone et les séparateurs à tubes swirlés « swirl deck » en anglais décrits dans le document US 7279020. Le choix de la technologie se fait en fonction de l'efficacité de séparation requise, des débits, des propriétés de la phase liquide, de la 25 tolérance du système aux résidus solides, de la perte de pression maximale admissible et des coûts d'installation et de maintenance. Les dévésiculeurs ou séparateurs de gouttes liquides d'un écoulement gazeux à chicanes, plus connus sous la dénomination anglaise « vane pack », sont très largement utilisés pour le désembuage 30 (séparation de l'eau sous forme de goutte d'un écoulement gazeux) dans l'industrie gazière et pétrolière. Dans les séparateurs de type « vane pack » horizontaux ou verticaux, l'écoulement gazeux transportant des gouttes liquides sous forme de brouillard est dirigé vers un bloc constitué d'un ensemble de 35 chicanes, typiquement de 5 à 50 chicanes. Les tortuosités génèrent des accélérations/décélérations successives de l'écoulement. De par l'inertie 3045399 2 plus importante des particules liquides par rapport aux particules gazeuses, les accélérations/décélérations successives de l'écoulement entraînent des chocs de gouttes sur les parois qui favorisent la séparation entre l'écoulement gazeux et les gouttes. Ces dernières sont alors 5 récupérées par ruissellement gravitaire sur les parois des chicanes. Par ailleurs, pour chaque profil de bloc de chicanes ou pour chaque profil de « vane » en anglais, il existe une taille minimale de gouttes correctement séparées. Les petites gouttes, ayant une inertie plus faible que les grosses, auront tendance à suivre sans retard les 10 accélérations/décélérations de l'écoulement, évitant ainsi tout contact avec une surface solide. Ces petites gouttes se retrouvent alors en sortie. La taille de ces petites gouttes difficiles à séparer est généralement de moins de 10 microns. Pour améliorer l'efficacité de séparation des petites gouttes, les 15 documents US 6852146, US 8444732, US 0199619, US 4601731, EP 0272765 et US 5104431, proposent différentes conceptions de chicanes pour augmenter l'intensité de la turbulence et des accélération/décélérations : avec des poches pour récupérer le liquide ou des formes diverses des chicanes. 20 Néanmoins, quel que soit l'arrangement ou le profil des chicanes, il existe une plage étroite de vitesse de gaz pour laquelle l'efficacité de séparation est optimale et donc considérée comme satisfaisante, c'est-à-dire supérieure ou égale à 99,9%. L'efficacité de séparation reposant sur la vitesse d'écoulement dans le bloc de chicanes, cette plage de modulation est généralement quantifiée en termes de vitesse moyenne de l'écoulement. Celle-ci se définit comme le ratio du débit du gaz, en m3/h, traversant le bloc de chicanes, sur la section de passage, en m2, du bloc correspondant en général au produit de la largeur par la hauteur du bloc. Généralement, les technologies de séparation par bloc de chicanes ont une plage de modulation de l'ordre de trois. Une modulation de l'ordre de trois signifie qu'un même dimensionnement de séparateur permet une séparation efficace des gouttes d'eau contenues dans le gaz pour un débit volumique à une même pression, variant du simple au triple. L'efficacité de séparation est liée à la typologie des chicanes, c'est-à-dire à la longueur, à la largeur, à la forme, 3045399 3 à la présence ou non de poches captant le liquide, et à la forme de celles-ci. Et à iso-typologie, l'efficacité de séparation est liée à la vitesse de l'écoulement en entrée de bloc. Par exemple, pour un design de séparateur vane pack 5 particulier, l'efficacité de séparation est optimale c'est-à-dire supérieure à 99,9% pour une vitesse de gaz allant de 0,66 m/s à 2,0 m/s. Chaque constructeur détermine expérimentalement la largeur de la plage de modulation en vitesse des différents profils de chicanes qu'il utilise. En deçà ou au-delà de la gamme de vitesse moyenne 10 préconisée, l'efficacité de séparation chute fortement. En effet, si la vitesse de l'écoulement dépasse une certaine valeur critique, donnée par des lois empiriques pour chaque type de profil, le film liquide se déposant sur les parois des chicanes est arraché par l'écoulement gazeux et les gouttes formées sont ré-entraînées avec le gaz 15 de l'écoulement, ce qui dégrade donc l'efficacité de séparation. Cet effet est particulièrement néfaste car l'arrachage de film liquide produit de très petites gouttes potentiellement difficiles à séparer par la suite. Du liquide peut alors se retrouver dans l'écoulement gazeux en sortie du séparateur et fortement endommager les équipements en 20 aval, induisant des arrêts ou des casses matérielles. À l'inverse, lorsque la vitesse en entrée est plus faible que la vitesse critique minimale, les gouttes n'ont pas assez d'inertie. Les accélérations/décélérations de l'écoulement gazeux sont trop faibles pour induire une vitesse différentielle suffisante entre gouttes et écoulement 25 gazeux. Les gouttes suivent alors l'écoulement gazeux, et les collisions avec les parois sont moins nombreuses et moins intenses. Par conséquent, l'efficacité de séparation chute drastiquement et des gouttes se retrouvent en sortie. Le bon dimensionnement d'un tel équipement assure donc 30 l'efficacité de séparation de l'écoulement gaz/liquide, au même titre que des conditions de débits ou vitesses bien délimitées, ce qui n'est pas toujours le cas dans l'industrie pétrolière et gazière, en exploration et production notamment. En modifiant le profil des chicanes, il est possible de jouer sur la 35 vitesse d'écoulement et par la même, sur l'étendue de la plage optimale d'utilisation du séparateur. Des zigzags plus tortueux, et en outre avec des 3045399 4 poches, offriront une plage de modulation du débit plus large mais au prix d'un coût d'usinage plus important et d'une perte de charge plus élevée. En effet, la complexité du profil des chicanes constitue une part importante du coût de production de l'équipement. 5 Le paramètre caractéristique d'un bloc de chicanes se nomme coefficient de Souders-Brown K La vitesse maximale admissible en entrée de bloc de chicanes, notée vc,max ci-dessous, permettant une séparation de plus de 99,9% des gouttes de plus de 10 microns, est alors donnée par l'équation de Souders-Brown : 10 VG ,max K - PLp-PG (1) Avec pi_ la masse volumique des particules liquides, et pG la masse volumique des particules gazeuses. Dans la bibliographie, des lois empiriques existent pour chaque type de profil de chicane. Pour illustration, on considérera l'équation 15 suivant, Equation 2, qui est valable pour les séparateurs horizontaux à chicanes. Des expressions similaires existent pour les autres technologies de séparation, et la valeur de K est le plus souvent comprise entre 0,2 m/s et 0,5 m/s. ,,' i 0,24 ( 0. \ 0,04 1 20 K = 1.75 {, e'' , fiL-pG) 771,) 1+25 REVENDICATIONS1. Dispositif de séparation (1, 10) de gouttes d'un écoulement gazeux comprenant au moins trois parois (2, 20) munies de chicanes (3, 30), les parois (2, 20) délimitant entre elles au moins deux passages (4, 40) adjacents de circulation de fluide, chaque passage (4, 40) étant apte à acheminer au moins une portion de l'écoulement gazeux avec une vitesse individuelle d'écoulement dépendant de la section individuelle propre audit passage (4, 40), et l'ensemble des passages (4, 40) définissant une section globale d'écoulement correspondant à la somme des sections individuelles d'écoulement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'obturation (7) d'au moins un passage ou des moyens de modification (70) de la section globale d'écoulement. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'obturation (7) sont montés sur l'entrée des passages (4). 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'obturation (7) comportent au moins une vanne configurée pour obturer au moins un passage (4) en fonction de la vitesse d'écoulement gazeux souhaitée dans les passages non obturés. 4. Dispositif (1) selon la revendication 3, dans lequel les entrées des passages (4) sont alignées dans un même plan de manière à former une succession d'entrées de passage (4) et la vanne est un volet roulant (7) monté à une extrémité de la succession d'entrées de passages (4). 5. Dispositif (10) selon la revendication 1, dans lequel les moyens de modification (70) de la section globale d'écoulement sont configurés pour modifier au moins partiellement la section individuelle d'au moins un desdits passages (40) de manière à modifier la vitesse individuelle d'écoulement au sein de chacun des passages (40). 304 53 99 19 6. Dispositif (10) selon l'une des revendications 1 ou 5, dans lequel les moyens de modification (70) comportent un moyen de compression/décompression (70) des passages apte à comprimer ou décomprimer la section d'au moins une portion d'au moins un passage 5 (40) pour augmenter ou réduire la vitesse individuelle d'écoulement de chaque passage (40). 7. Dispositif (1, 10) selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant un actionneur électrique apte à actionner les moyens de 10 modification (70) ou les moyens d'obturation (7). 8. Dispositif (1, 10) selon la revendication 7, comprenant un capteur de débit apte à mesurer le débit d'écoulement gazeux en entrée (5) dudit dispositif de séparation (1, 10), une unité de traitement 15 comportant un premier calculateur apte à déterminer la vitesse individuelle d'écoulement au sein de chacun des passages (4, 40) et un second calculateur apte à déterminer le facteur de modification à appliquer à au moins un passage (4, 40) pour obtenir une vitesse individuelle d'écoulement supérieure à une vitesse de référence dans 20 chaque passage utilisé, et une unité de commande configurée pour commander les moyens de modification (70) ou les moyens d'obturation (7) en fonction du facteur de modification déterminé par l'unité de traitement. 25 9. Dispositif (1, 10) selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant un actionneur mécanique manuel configuré pour actionner les moyens de modification (70) ou les moyens d'obturation (7) à partir d'une commande manuelle d'un utilisateur.