La présente invention concerne un dispositif de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire.
Le dispositif selon l'invention a été particulièrement étudié pour la pulvérisation de combustibles en vue de leur combustion, mais, bien évidemment, il peut être utilisé 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 100°C 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 200°C, pour un produit d'une viscosité de 400 mm2/s à 200°C, 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 :
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.
On connaît également, par US-A-4 846 402 (cf. préambule de la revendication 1), un dispositif de pulvérisation d'un liquide contenant des particules solides en suspension. Ce dispositif comprend une pluralité de conduits d'arrivée de liquide, dont les parois sont percées de séries de trous et qui traversent une chambre annulaire, dans laquelle est admis par un conduit un gaz sous pression, qui pénètre ainsi graduellement dans les conduits de liquide par les différents trous, le mélange de gaz et de liquide étant finalement atomisé par un orifice à l'extrémité des conduits.
Le but de l'invention est de proposer un dispositif de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire, dans lequel les risques de bouchage des conduits soient réduits.
A cet effet, l'invention a 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 premiers conduits comprenant chacun un orifice de pulvérisation, et au moins deux seconds conduits connectés à une source de gaz auxiliaire sous pression, ces deux seconds conduits débouchant latéralement dans le premier conduit, ce dispositif étant caractérisé en ce que les seconds conduits sont disposés obliquement par rapport à l'axe du premier conduit et débouchent dans celui-ci en des emplacements disposés sensiblement dans un même plan perpendiculaire à l'axe du premier conduit, à proximité immédiate 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.
Les seconds conduits convergeront vers un même point de l'axe de chaque premier conduit et seront disposés obliquement par rapport à ce premier conduit.
De préférence, les axes des deux seconds conduits feront avec l'axe du premier conduit des angles sensiblement égaux, par exemple, à 45°,
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 de deux formes de mise en oeuvre 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 sur la tête du dispositif suivant une couronne circulaire ou suivant deux couronnes circulaires coaxiales.
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. Bien entendu, on pourra aussi utiliser deux canalisations distinctes.
Dans la description détaillée de ces formes de réalisation du dispositif conforme à l'invention qui va suivre, on se réfèrera aux dessins annexés,dans lesquels :
On se réfèrera d'abord aux figures 1 à 3.
Le dispositif représenté 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 5, 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 seront disposés obliquement par rapport au conduit 11, en faisant avec celui-ci des angles α1 et α2 pouvant être égaux et de l'ordre de 45°. Les conduits 13 et 14 convergeront en direction d'un même point de l'axe du conduit 11. En revanche, un décalage des emplacements de raccordement des conduits 13 et 14 au conduit 11, tel que représenté sur la figure 3, n'entre pas dans le cadre de l'invention.
Les figures 4 et 5 illustrent une autre forme de réalisation, du dispositif conforme à l'invention. Sur ces figures, les organes déjà décrits sont désignés par les mêmes chiffres de référence que sur les figures 1 à 3.
Dans cette réalisation, les orifices de pulvérisation des conduits 11 ne sont pas répartis régulièrement suivant une unique couronne circulaire sur la tête du dispositif, mais suivant deux couronnes coaxiales, les orifices 12, au nombre de quatre dans le cas du dispositif représenté, étant décalés angulairement de 45° par rapport aux orifices 12'. Les orifices 12' sont associés à des conduits 11', 13' et 14', disposés de façon analogue aux conduits 11, 13 et 14 et qui ont la même fonction.
Les diamètres et les dimensions des conduits 11, 13 et 14 peuvent être différents de ceux de leurs homologues 11', 13' et 14', de même que les angles que font avec l'axe du dispositif les axes des orifices d'injection.
Les exemples qui suivent illustrent des applications des dispositifs décrits ci-dessus à la pulvérisation d'un liquide à forte viscosité, à savoir de l'huile.
Le dispositif utilisé est du type représenté sur les figures 1 à 3. Il présente les caractéristiques suivantes :
Les conditions des essais sont les suivantes :
Avec ce liquide à haute viscosité et dans les conditions indiquées ci-dessus, le diamètre moyen SAUTER des gouttelettes à la sortie du dispositif est de 35 microns, 90 % des gouttelettes ayant un diamètre inférieur à 120 microns et 99 % d'entre elles ayant un diamètre inférieur à 290 microns.
Le dispositif utilisé est du type représenté sur les figures 3 et 4. Il présente les caractéristiques suivantes :
Les conditions d'essais sont les suivantes :
Dans de telles conditions, le diamètre moyen des gouttelettes à la sortie du dispositif est à nouveau de 35 microns, 90 % 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.