Dispositif pour transformer un écoulement primaire diphasique en plusieurs écoulements diphasiques secondaires

Abstract

 Dispositif pour transformer un écoulement primaire de fluide diphasique en plusieurs écoulements secondaires.
Il comporte un carter tubulaire, un moyeu placé coaxialement à l'intérieur de ce carter avec lequel il définit un espace annulaire ouvert à ses deux extrémités, une pluralité de pales réparties dans l'espace annulaire qu'elles divisent en autant de compartiments distincts les uns des autres, dont les sections perpendiculaires à l'axe du carter ont une forme de secteur annulaire, ces espaces débouchant aux extrémités du carter, et une pluralité de conduits placés d'un même côté de l'une des extrémités du carter, chacun de ces conduits communiquant exclusivement avec l'un des compartiments.
Application à la répartition d'un écoulement de fluide diphasique à grand débit en plusieurs écoulements distincts.

Description

[0001] La présente invention concerne un dispositif pour transformer un écoulement primaire diphasique, par exemple composé de liquide saturé et de gaz libre non dissous dans ce liquide, en plusieurs écoulements secondaires semblables à l'écoulement primaire, dans lequel le rapport du volume de gaz à celui du liquide composant ces écoulements secondaires est de préférence sensiblement égal à celui de l'écoulement primaire.

[0002] Dans certains domaines techniques, tels que, en particulier mais non exclusivement, le domaine pétrolier, on est conduit à traiter des écoulements diphasiques, par exemple des écoulements composés du mélange d'au moins un liquide saturé avec au moins un gaz libre qui, dans les conditions thermodynamiques considérées, n'est pas dissous dans le liquide.

[0003] Les traitements de ces écoulements diphasiques (en vue par exemple de créer une augmentation de leur pression, la séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide, etc...) se font à l'aide d'appareillages qui, généralement, ont des performances optimales lorsqu'ils traitent des écoulements diphasiques ayant des caractéristiques correspondant à celles prévues lors de la fabrication de ces appareillages.

[0004] Parfois, notamment lorsque le débit du fluide à traiter est important, on peut avoir besoin de répartir l'écoulement primaire en plusieurs écoulements secondaires qui, pour les raisons indiquées plus haut, doivent avoir des caractéristiques, telles que teneur en gaz libre, pression, etc...,qui sont constantes dans le temps. De préférence, ces caractéristiques doivent être sensiblement identiques à celles de l'écoulement primaire.

[0005] L'objet de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'at- teindre le but indiqué ci-dessus.

[0006] L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode particulier de réalisation de l'invention,illustrée par les figures annexées parmi lesquelles :

- la figure 1 représente schématiquement un-dispositif selon l'invention, vu en coupe axiale,

- la figure 2 est la vue de gauche de la figure 1,

- la figure 3 est la vue de droite de la figure 1,

- les figures 4, 5 et 6 sont des coupes respectivement selon les les lignes IV, V et VI de la figuré 1, qui montrent l'évolution de la forme de la section d'un conduit 4c,

- la figure 7 est une vue développée montrant un profil possible des pales 3a, 3b...

- la figure 8 représente un second profil possible des pales 3a, 3b...

- la figure 9 est une vue développée du dispositif selon l'invention,

- la figure 10 montre un mode préféré de réalisation de l'invention,

- la figure 11 illustre en coupe l'organe stabilisateur, et

- la figure 12 est une variante de réalisation de la figure 11.

[0007] Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention est schématiquement représenté en coupe sur la figure 1.

[0008] Ce dispositif comporte essentiellement un corps tubuaire 1, un moyeu 2, des pales 3a, 3b, 3c ... et un ensemble de canalisations de sortie 4a, 4b, 4c ...

[0009] Une des extrémités du corps 1 constitue l'entrée 5 de l'écoulement primaire d'un fluide diphasique à fractionner en plusieurs écoulements secondaires. A cette extrémité, le corps 1 est pourvu de moyens de raccordement, tels qu'une bride de fixation 6 permettant, à l'aide de vis ou boulons schématisés en 7 la fixation étanche du dispositif dans le prolongement d'une conduite 8, dessinée en trait interrompu, dans laquelle l'écoulement primaire de fluide diphasique s'effectue suivant le sens indiqué par les flèches F.

[0010] Le moyeu 2, dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre de l'alésage du corps 1 est maintenu coaxialement à l'intérieur de cet alésage avec lequel il délimite un espace annulaire. Lorsque cela s'avère nécessaire, le moyeu 2 est, du côté de l'entrée 5, prolongé par une pièce profilée 9 permettant de réduire au minimum les perturbations de l'écoulement du fluide diphasique primaire, lors de son entrée dans le dispositif. Dans le cas représenté, l'alésage du corps 1 et la surface extérieure du moyeu 2 sont cylindriques et délimitent un espace annulaire dont la section droite est constante, mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention si l'une et/ou l'autre de ces surfaces était conique et si, en conséquence, la section droite de l'espace annulaire variait.

[0011] Des pales, telles que 3a, 3b, 3c et 3d qui sont toutes visibles sur la figure 2 (qui est une vue de gauche de la figure 1), divisent l'espace annulaire compris entre le moyeu 2 et l'alésage du corps 1 en compartiments 10a, 10b, 10c, 10d, sensiblement étanches les uns par rapport aux autres et débouchant aux extrémités du corps 1.

[0012] Ces pales, qui peuvent être planes et disposées radialement dans l'espace annulaire délimité par le corps 1 et le moyeu 2, ou qui peuvent être préformées comme il sera indiqué ultérieurement, sont fixées par tout moyen approprié, tel que soudure, etc..., soit sur le moyeu 2, soit sur le corps 1, soit encore sur les deux à la fois. Eventuellement,élles peuvent assurer le maintien en position du moyeu 2 à. l'intérieur du corps'1.

[0013] Le nombre n de pales peut varier en fonction des nécessités. Quatre ont été représentées, à titre d'exemple, sur les figures, mais de façon générale, ce nombre dépend du nombre d'écoulements secondaires que l'on désire obtenir.

[0014] L'extrémité du corps 1 opposée à l'entrée 5 (figure 1) est obturée par un couvercle 11 fixé sur le corps 1 par exemple par des vis ou des boulons 12 coopérant avec une bride de fixation 13 du corps 1. Ce couvercle peut également assurer le maintien en position du moyeu 2, par exemple, au moyen d'une vis de fixation schématisée en 19. Le couvercle 11 est pourvu d'orifices 14a, 14b, 14c ...en nombre égal au nombre de pales et il est positionné de telle sorte que chaque orifice communique exclusivement avec l'un des compartiments délimité par deux pales consécutives. De préférence, chacun de ces orifices a la forme d'un secteur annulaire de même section que le compartiment avec lequel il communique, cette section étant mesurée selon un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps 1. Chaque orifice 14a, 14b... du couvercle 11 communique exclusivement avec un conduit tel que 4a, 4b, 4c... fixé sur le couvercle 11. En s'éloignant du couvercle 11, chacun de ces conduits a une section dont la valeur de la surface reste de préférence constante mais dont la forme se modifie, comme le montrent les figures 4, 5, 6 qui sont des coupes selon les lignes IV, V et VI de la figure 1.

[0015] Ces conduits, tous visibles sur la figure 3, qui est une vue de droite de la figure 1, peuvent être raccordés à des canalisations telles que 15, 16, 17... représentées en traits interrompus at que le dispositif selon l'invention alimente en fluide diphasique.

[0016] Le fonctionnement du dispositif est simple. En pénétrant dans l'espace annulaire délimité entre le moyeu 2 et le corps 1, l'écoulement primaire de fluide diphasique est divisé en autant d'écoulements diphasiques secondaires qu'il y a de compartiments 1Da, 1Db, 10c ... et chacun de ces écoulements secondaires est dirigé vers l'une des canalisations d'utilisation 15, 16, 17... par l'un des conduits correspondants 4a, 4b, 4c ...

[0017] Lorsque l'écoulement primaire à l'entrée 5 du dispositif a une vitesse axiale très grande par rapport à la vitesse de rotation, ou lorsque la vitesse de rotation est sensiblement nulle, les pales 3a, 3b, 3c ... seront avantageusement des pales planes placées radialement et profilées pour ne pas perturber l'écoulement, comme le montre la figure 7 qui est une vue développée du moyeu 2 portant les pales.

[0018] Lorsque la vitesse V de l'écoulement du fluide diphasique à l'entrée du dispositif a une composante axiale V et une composante rotation- nelle 0 (vitesse de giration mesurée en radian/seconde), le profil de chaque pale pourra ou non être gauchi pour que, en tout point du bord d'attaque, l'angle a d'inclinaison de la pale (fig. 8) satisfasse à la relation

, R étant la distance du point consi- déré à l'axe du dispositif.

[0019] Eventuellement, comme le montre la figure 9, les pales pourront avoir un profil dont le rayon de courbure décroît de l'entrée vers la sortie. Les canalisations 4a, 4b, 4c et 4d pourront être préformées pour que leurs axes au niveau du couvercle 11 soient sensiblement parallèles à l'angle que forment les pales avec l'axe du dispositif.

[0020] Le mode de réalisation du dispositif selon l'invention illustré par les figures 1 à'9 permet de transformer un écoulement primaire diphasique en plusieurs écoulements secondaires qui auront une teneur en gaz libre peu différente de celle de l'écoulement primaire, lorsque la distribution des phases a une symétrie de révolution autour de l'axe de l'écoulement primaire à l'entrée du corps 1. Dans tous les autres cas, les teneurs en gaz libre des écoulements secondaires seront différentes.

[0021] Pour éviter cet inconvénient, il est préférable d'utiliser un ensemble de stabilisation de la distribution des phases de l'écoulement primaire qui, sur la figure 10, est indiqué par la référence 20. Cet ensemble comporte essentiellement une tubulurè d'admission 21, un élément stabilisateur 22 et éventuellement un organe 23 adapté à augmenter la pression du fluide diphasique avant son introduction dans le corps 1.

[0022] Dans l'exemple représenté, la tubulure d'admission 21 est une tubulure coudée selon un rayon de courbure de grande dimension, afin de ne pas introduire.de perte de charge importante dans l'écoulement primaire.

[0023] L'organe stabilisateur 22 peut être de tout type connu et a pour but. de maintenir sensiblement constante la teneur en gaz libre dans l'écoulement primaire, ou au moins d'empêcher que cette teneur ne subisse des variations rapides.

[0024] A titre d'exemple, cet organe stabilisateur pourra être du type pompe hélico-axiale, telle que l'organe de pompage pour fluide diphasique décrit dans la demande de brevet français N° 2 333 139. Brièvement, et comme on peut le voir sur la figure 11, cet organe stabilisateur comporte une pluralité de moyeux 24 solidaires en rotation d'un arbre 28 entrainé par un moteur 32 (figure 10) dont la vitesse de rotation est de préférence ajustable de façon continue. Chacun des moyeux 24 porte des pales 25 dont le rayon de courbure ainsi que l'angle formé par l'axe de rotation et la tangente au profil de chaque pale décroissent dans le sens d'écoulement du fluide diphasique. Entre les différents étages sont intercalés des redresseurs comportant des pales 26 solidaires du carter 33 du stabilisateur 22 et qui sont également solidaires d'un moyeu 27 de forme tubulaire. L'arbre 25 traverse tous les moyeux 27 dont certains au moins constituent également des paliers de roulement de l'arbre 28 avec, si nécessaire, interposition de roulements à billes (non représentés sur les dessins).

[0025] Entre l'organe stabilisateur 22 et l'entrée du dispositif est interposé un organe de pompage 23 dont le-but est d'augmenter la pression du fluide diphasique après stabilisation, pour compenser les pertes de charge.

[0026] Cet organe de pompage comporte un moyeu 29 qui porte des pales 30 dont le profil, adapté à augmenter la pression du fluide diphasique, est du type de celui décrit dans la demande de brevet français citée plus haut. Ce moyeu 29 est entraîné en rotation par un arbre moteur qui dans le cas illustré par la figure 11 est l'arbre 28 mais peut également être un arbre différent 31 entraîné par un second moteur non représenté, pouvant avoir une vitesse variable.

[0027] Pendant le fonctionnement, la vitesse de rotation du ou des arbres moteurs est ajustée pour obtenir les meilleurs résultats, en fonction des conditions d'écoulement du fluide .diphasique.

[0028] Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, la répartition des pales 3a, 3b, 3c ... sur le moyeu 2 pourra être faite en fonction du débit relatif de chaque écoulement secondaire par rapport à l'écoulement primaire. Ainsi, ces pales peuvent être régulièrement réparties lorsque les écoulements secondaires ont même débit, mais l'écartement angulaire entre deux pales consécutives peut être augmenté pour obtenir un débit plus important de l'écoulement secondaire qu'elles délimitent, ou diminué dans le cas contraire.

Revendications

1. - Dispositif pour transformer un écoulement primaire de fluide diphasique en plusieurs écoulements secondaires de fluide diphasique, caractérisé en ce qu'il comporte un carter tubulaire, un moyeu placé coaxialement à l'intérieur de ce carter avec lequel ii définit un espace annulaire ouvert à ses deux extrémités, une pluralité de pales réparties dans l'espace annulaire qu'elles divisent en autant de compartiments distincts les uns des autres dont les sections perpendiculaires à l'axe du carter ont une forme de secteur annulaire, ces espaces débouchant aux extrémités du carter, et une pluralité de conduits placés d'un même côté de l'une des extrémités du carter, chacun de ces conduits communiquant exclusivement avec l'un des compartiments.

2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits conduits sont solidaires d'un couvercle s'adaptant à l'extrémité du carter, la communication entre les compartiments et les conduits étant assurée par des orifices pratiqués dans le couvercle.

3. -Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section droite d'un conduit au niveau du couvercle est sensiblement identique à la section droite du compartiment avec lequel il communique.

4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section du conduit est modifiée jusqu'à devenir circulaire lorsqu'on s'éloigne du couvercle.

5. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites pales sont régulièrement réparties dans l'espace annulaire.

6. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales sont planes et disposées radialement dans l'espace annulaire.

7. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales ont un profil dont le rayon de courbure diminue dans le sens de l'écoulement du fluide diphasique à l'intérieur du carter.

8. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tangente au profil d'une pale fait avec l'axe du carter un angle qui diminue dans le sens d'écoulement du fluide diphasique.

9. - Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens stabilisateurs adaptés à empêcher les variations de la teneur en gaz libre de l'écoulement primaire, ces moyens étant fixés au carter du côté opposé aux conduits.

10. - Dispositif selon-la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un organe adapté à élever notablement la pression du fluide diphasique de l'écoulement primaire, cet organe étant interposé entre les moyens stabilisateurs et le carter.

11. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens stabilisateurs sont du type pompe pour fluide diphasique.

12. - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe élevant la pression est une pompe hélico-axiale pour fluide diphasique.

Dessins