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EP3624952A1 - Distributeur de fluide multiphasique - Google Patents

Distributeur de fluide multiphasique

Info

Publication number
EP3624952A1
EP3624952A1 EP18718596.2A EP18718596A EP3624952A1 EP 3624952 A1 EP3624952 A1 EP 3624952A1 EP 18718596 A EP18718596 A EP 18718596A EP 3624952 A1 EP3624952 A1 EP 3624952A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
enclosure
fluid
dispenser according
longitudinal axis
inlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP18718596.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3624952B1 (fr
Inventor
Raymond Hallot
Sadia SHAIEK
Thomas VALDENAIRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saipem SA
Original Assignee
Saipem SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saipem SA filed Critical Saipem SA
Publication of EP3624952A1 publication Critical patent/EP3624952A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3624952B1 publication Critical patent/EP3624952B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C3/06—Construction of inlets or outlets to the vortex chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C2003/006—Construction of elements by which the vortex flow is generated or degenerated

Definitions

  • the present invention relates to the general field of multiphase fluid distributors for dividing in equal parts a fluid flow composed of several different phases into several fluid flows having the same flow rate and the same composition.
  • a particular field of application of the invention relates to submarine effluent treatment equipment used in the production of hydrocarbons, for example oil and gas, from submarine production wells.
  • submarine gravity separators of the gas / liquid type called multi-pipe separators or condensate traps, which make it possible to optimize well protection as well as managing production shutdowns and restart by depressurizing the production lines.
  • underwater gravity separators of the liquid / liquid type namely here oil / water
  • Yet another particular field of application of the invention relates to the equitable distribution of a production gas in the multiple branches of a condenser or in multiple condensers which operate in parallel, for the purpose of drying or condensing the light phases of the gas, in order to condition it prior to transport along a low-temperature pipeline.
  • Distributors known in the prior art generally comprise a cylindrical inlet, of size close to that of the feed pipe, at the bottom of which opens a succession of small orifices arranged axisymmetrically.
  • the distributor is generally arranged vertically, with the inlet at the bottom and the outlet openings at the top, in order to cancel the effects that gravity could have on the location of the phases. just before the distribution.
  • the supply pipe will advantageously be positioned vertically and with a length greater than ten times its diameter so that the multiphase flow has an axisymmetric facies (at least on average over a period of a few seconds), a guarantee of equity. of distribution.
  • these distributors may have certain limitations.
  • the present invention therefore has the main purpose of providing a multiphasic fluid dispenser that does not have the aforementioned drawbacks.
  • a multiphase fluid distributor comprising a cylindrical enclosure having at one longitudinal end an inlet orifice and at an opposite longitudinal end a plurality of cylindrical outlet orifices of the same cross-section, regularly distributed around a longitudinal axis of the enclosure and aligned in a same plane transverse to the enclosure, the inlet and outlet ports each opening inside the enclosure in a substantially tangential direction to the enclosure.
  • the multiphasic fluid penetrates inside the chamber through the inlet orifice being injected tangentially thereto. Thanks to the centrifugal force, the liquid phase of a gas / liquid fluid will press against the inner wall of the chamber to form a liquid film flowing in a helical gyratory movement, while the gaseous part of the gas / liquid medium liquid will form a central gas flow flowing longitudinally from bottom to top in the center of the liquid film.
  • the multiphasic fluid entering the chamber is directed towards the opposite end of the chamber, so that the particles of the liquid film thus created follow ascending helical paths.
  • the liquid film is ejected by the centrifugal force out of the enclosure through the outlets.
  • the gas phase of the multiphasic fluid As for the gas phase of the multiphasic fluid, it will accumulate in the center of the upper part of the enclosure and may flow through the upper part of the outlet orifices. If the liquid film however occupies the entire section of these orifices, this gas phase will see its pressure increase until it escapes periodically through the outlet orifices. passing through the liquid film when its pressure becomes greater than that of the output ports (rapid pulsation phenomenon).
  • the equidistribution of different phases of the multiphase fluid thus results from the axial symmetry of the distributor and from the axial symmetry of the flow within the enclosure. Furthermore, it has been found that the multiphasic fluid is equitably discharged through the various outlet orifices, provided that the centrifugation speed of the fluid is sufficient and the pulsation of the intermittent expulsion of the gas phase of the multiphasic fluid is effected. equally.
  • a minimum tangential velocity of 0.8m / s and a minimum axial velocity of O.lm / s for all the combined phases are necessary in the enclosure. These speeds are obtained by the appropriate dimensioning of the enclosure and its internal elements as a function of the fluid flow rates to be considered.
  • the pulsation of the expulsion of the gas phase through the liquid film in front of the outlet orifices it is carried out equitably provided that the pressures in each of the outlet orifices are substantially balanced.
  • the dispenser further comprises fluid guiding means for imparting a helical movement to fluid flowing within the enclosure from the inlet port to the outlet ports.
  • the fluid guiding means may advantageously comprise a guide ramp having a helical shape centered on the longitudinal axis of the enclosure.
  • the guide ramp may be carried by a cylinder centered on the longitudinal axis of the enclosure or by an inner wall of the enclosure.
  • the latter advantageously also has a deflector positioned facing the inlet to help the fluid to borrow the guide ramp.
  • the inlet orifice advantageously opens inside the enclosure by forming an inclined angle towards the outlet orifices.
  • the inlet orifice may form an angle with a transverse axis of the enclosure which is substantially equal to an angle of the helix of the guide ramp.
  • the angle made by the inlet orifice and the helix of the guide ramp with the transverse axis of the enclosure is between 5 ° and 30 °.
  • the dispenser may further comprise a ring of erosion-resistant material centered on the longitudinal axis of the enclosure and positioned inside thereof, said ring being provided with a plurality of fluid passage slots each positioned opposite an outlet port.
  • the enclosure may further comprise a gaseous exhaust orifice centered on the longitudinal axis of the enclosure and located at the longitudinal end of the enclosure. enclosure at which the outlets are positioned. This exhaust port makes it possible to extract as much gas as possible upstream of the distribution so as to minimize the gas content of the dispensed fluid.
  • the enclosure may be formed by sealing assembly between a box and a lid, the inlet being formed in the box and the outlet ports being formed in the lid.
  • the fluid guiding means is configured to allow the fluid to perform two turns around the longitudinal axis of the enclosure from the inlet port to the outlet ports. This feature provides a compact enclosure by reducing the travel distance between the inlet port and the outlet ports.
  • FIG. 1 is a perspective view of a dispenser according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a side view of the dispenser of Figure 1;
  • FIGS. 3 to 5 are sectional views of Figure 2 respectively along III-III, IV-IV and V-V;
  • FIG. 6 is a side view of a dispenser according to another embodiment of the invention
  • - Figure 7 is a sectional view along VII-VII of the distributor of Figure 7;
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the dispenser showing its outlet orifices.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a guide ramp that can equip the dispensers of FIGS. 1 and 6.
  • the invention relates to a multiphase fluid distributor for submarine effluent treatment equipment, in particular segmented gravity separators which are used in the production of hydrocarbons in deep offshore.
  • multiphase fluid is meant here a fluid comprising at least two different phases, for example a liquid phase and a gaseous phase.
  • Figures 1 to 5 show a distributor 2 according to a first embodiment of the invention.
  • the distributor 2 comprises in particular a cylindrical chamber 4 of longitudinal axis X-X positioned vertically. At its lower longitudinal end, the chamber 4 comprises an inlet port 6 for the multiphase fluid. At its upper longitudinal end opposite the lower end, the enclosure has a plurality of cylindrical outlet orifices 8.
  • the inlet port 6 opens inside the enclosure 4, firstly in a direction substantially tangential thereto, and secondly by forming an angle with an axis transverse YY of the enclosure which is inclined towards the outlet orifices 8.
  • This angle a is preferably between 5 ° and 30 °.
  • the multiphasic fluid enters the enclosure of the distributor in its lower part being animated by an ascending helical movement around the longitudinal axis XX of the enclosure.
  • the tangential orientation of the inlet orifice makes it possible in particular to limit the impact of the multiphasic fluid jet against the inner wall of the enclosure and facilitates the rapid formation of a liquid film in helical rotation, pressed against the inner wall of the distributor body 4.
  • the outlet orifices 8 they are on the embodiment of Figures 1 to 5, eight in number and are regularly distributed around the longitudinal axis XX of the enclosure.
  • outlet orifices 8 each have a cylindrical shape with a respective longitudinal axis 8a, these longitudinal axes 8a being all located in the same transverse plane P of the enclosure 4.
  • the cross section (of circular shape) of the orifices output is identical for all the outlets and they open inside the enclosure in a direction substantially tangential thereto.
  • the respective longitudinal axes 8a of two adjacent outlet orifices 8 form between them an angle ⁇ which is preferably less than 30 °, this angle ⁇ being the same for all the orifices of FIG. exit.
  • the distribution of the outlet orifices 8 has an axial symmetry with respect to the longitudinal axis X-X. It follows that when the liquid pressed against the inner wall of the enclosure and animated by an ascending helical movement around the longitudinal axis XX of the enclosure reaches the transverse plane P, it is ejected, under the effect of the centrifugal force, in the set of outlet orifices, the flow ejected fluid by each outlet orifice being substantially the same for all of the outlet orifices due to the regularity of the thickness of the liquid film and of its ascending helical movement.
  • the dispenser according to the invention further comprises fluid guiding means for imparting a helical movement to fluid flowing within the enclosure from the inlet port to the outlet ports.
  • a guide ramp 10 having a helical shape centered on the longitudinal axis XX of the chamber 4 of the distributor is positioned inside the chamber between the inlet orifice 6 and the orifices. output 8.
  • this guide ramp 10 in the form of a helix may be more precisely carried by a cylinder 12 which is centered on the longitudinal axis XX of the enclosure.
  • this guide ramp could be carried by the inner wall of the enclosure.
  • the orientation and the angle formed by the helix of the guide ramp 10 with a transverse axis YY of the enclosure are identical to the orientation and the angle a that forms the inlet orifice 6 with this transverse axis.
  • the multiphasic fluid penetrates from below into the chamber 4 of the distributor tangentially to it and is directed towards the top of the distributor with an angle between 5 ° and 30 ° relative to the horizontal.
  • the liquid phase of the multiphase fluid will develop a liquid film pressed against the inner wall of the chamber, this liquid film possibly taking the guide ramp 10 to be directed towards the upper part of the chamber.
  • the enclosure where the outlet orifices 8 are positioned As for the gaseous phase of the multiphase fluid, it will concentrate in the center of the enclosure to go up towards the top of the enclosure.
  • the liquid film flowing helically around the longitudinal axis XX is ejected under the effect of the centrifugal force out of the enclosure in each outlet orifice 8. being evenly distributed for all the outlets.
  • the gas phase of the multiphasic fluid it will accumulate in the center of the upper part of the enclosure and may flow through the upper part of the outlet orifices. If the liquid film however occupies the entire section of these orifices, this gas phase will see its pressure increase until it escapes periodically through the outlet orifices 8 when its pressure exceeds that of the outlet orifices (phenomenon of pulsation).
  • the distributor 2 further comprises a ring 14 which is centered on the longitudinal axis XX of the enclosure and which is positioned inside thereof. ring being provided with a plurality of fluid passage slots 16 which are each positioned facing an outlet port 8.
  • this ring 14 with its fluid passage slots 16 upstream of the outlet orifices 8 has the advantage of allowing the use of erosion-resistant materials, such as ceramic, tungsten carbides, etc. in areas with sharp edges to preserve erosion that can be induced by high flow velocities and solid particles possibly driven by the fluid, while retaining for other parts of the distributor the use of more conventional materials, less expensive and easier to machine, such as carbon steel, iron-nickel alloys, etc.
  • the enclosure 4 is formed by the assembly between a caisson 18 and a cover 20, the inlet orifice 6 being formed in the caisson 18 and the outlet ports 8 being formed in the lid. This assembly is sealed by means of an annular weld joint 22 between these two elements.
  • the dispenser is for example used in an underwater gravity separator of the oil / water type, or a multitubes heat exchanger.
  • the enclosure 4 'of the distributor 2' of this second embodiment further comprises a gaseous exhaust orifice 24 which is centered on the longitudinal axis XX of the enclosure and which is located at the longitudinal end of the enclosure at which are positioned the outlet ports 8 '.
  • a buffer zone 26 is arranged within the enclosure 4 'between the outlet orifices 8' and the gaseous exhaust orifice 24.
  • this distributor 2 ' is as follows.
  • the multiphase fluid enters the chamber 4 'of the distributor tangentially to it and is directed towards the top of the distributor with an angle of between 5 ° and 30 ° relative to the horizontal.
  • the liquid phase of the fluid will develop a liquid film pressed against the inner wall of the chamber, this liquid film possibly taking the guide ramp 10 'to be directed towards the upper part of the chamber.
  • the enclosure where are positioned the outlet ports 8 '.
  • the phase gaseous multiphase fluid it will focus in the center of the enclosure to go up the enclosure.
  • the gaseous phase of the multiphase fluid As for the gaseous phase of the multiphase fluid, it will accumulate at the buffer zone 26 in the upper part of the chamber 4 '. In this buffer zone, the gas will get rid of the last drops of liquid which are driven radially by the centrifugal force and vertically by their own weight to join the liquid film and be discharged through the outlets 8 '.
  • the pressure of the gas in this buffer zone exceeds that of the gas exhaust port 24, the gaseous phase of the multiphase fluid will be discharged through the gaseous exhaust orifice but also through the outlet orifices, provided that the pressure which There reign remains strictly lower than that prevailing in the outlets 8 '.
  • coalescer system (grid or other) at the inlet of the gaseous exhaust port to filter the liquid particles or to position diaphragms at different heights above the outlet ports 8 '.
  • the cylinder 12, 12 ' which carries the guide ramp 10, 10' also bears a deflector 28 which is positioned opposite of the inlet port. This deflector makes it possible to help the fluid to borrow the guide ramp.

Landscapes

  • Feeding, Discharge, Calcimining, Fusing, And Gas-Generation Devices (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)
  • Separating Particles In Gases By Inertia (AREA)
  • Cyclones (AREA)

Abstract

L'invention concerne un distributeur (2) de fluide multiphasique comprenant une enceinte (4) cylindrique ayant à une extrémité longitudinale un orifice d'entrée (6) et à une extrémité longitudinale opposée une pluralité d'orifices de sortie (8) cylindriques de même section droite, régulièrement répartis autour d'un axe longitudinal (X-X) de l'enceinte et alignés selon un même plan transversal à l'enceinte, les orifices d'entrée et de sortie s'ouvrant chacun à l'intérieur de l'enceinte selon une direction sensiblement tangentielle à l'enceinte.

Description

Titre de l'invention
Distributeur de fluide multiphasique
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des distributeurs de fluides multiphasiques permettant de diviser en parts égales un écoulement de fluide composé de plusieurs phases différentes en plusieurs écoulements de fluide ayant le même débit et la même composition.
Un domaine particulier d'application de l'invention concerne les équipements sous-marins de traitement des effluents utilisés dans la production d'hydrocarbures, par exemple de pétrole et de gaz, issus de puits de production sous-marins.
Le traitement sous-marin d'hydrocarbures issus de puits de production sous-marins devient un besoin réel pour permettre d'optimiser la production, notamment par grandes profondeurs. Parmi les différents moyens mis en œuvre pour le traitement sous-marin d'hydrocarbures, il est connu de recourir à des séparateurs gravitaires sous-marins de type gaz/liquide, appelés séparateurs multi-pipes ou pièges à condensât, qui permettent d'optimiser la protection des puits ainsi que de gérer les arrêts et redémarrage de production en dépressurisant les lignes de production. Il est également connu de recourir à des séparateurs gravitaires sous- marins de type liquide/liquide (à savoir ici huile/eau) qui sont utilisés pour augmenter la récupération d'huile et pour réinjecter l'eau récupérée dans les puits de production.
Ces différents séparateurs gravitaires sous-marins sont avantageusement segmentés pour des applications en grande profondeur, c'est-à-dire qu'ils sont composés de plusieurs enceintes cylindriques de petit diamètre travaillant en parallèle ; ils nécessitent la mise en œuvre d'un même principe consistant à distribuer le fluide multiphasique (à savoir un fluide ayant une phase gazeuse et une phase liquide) en une pluralité de débits de fluide multiphasique identiques et de même composition. Cette fonction est typiquement assurée par un distributeur dont l'entrée reçoit le fluide multiphasique et le sépare à sa sortie en plusieurs écoulements de fluide multiphasique ayant le même débit. Un autre domaine d'application particulier de l'invention concerne la distribution équitable d'un fluide de production d'hydrocarbures multiphasique dans les multiples branches d'un échangeur de chaleur ou dans de multiples échangeurs qui fonctionnent en parallèle, dans le but de refroidir ou de réchauffer ce fluide de production.
Encore un autre domaine d'application particulier de l'invention concerne la distribution équitable d'un gaz de production dans les multiples branches d'un condenseur ou dans de multiples condenseurs qui fonctionnent en parallèle, dans le but d'assécher ou de condenser les phases légères du gaz, afin de le conditionner préalablement à un transport le long d'un pipeline à basse température.
Les distributeurs connus de l'art antérieur comportent généralement une entrée cylindrique, de taille voisine de celle du tuyau d'amenée, au fond de laquelle débouche une succession de petits orifices disposés axisymétriquement. Pour que cette distribution soit peu sensible au régime d'écoulement, le distributeur est généralement disposé verticalement, avec l'entrée en bas et les orifices de sortie en haut, afin d'annuler les effets que pourraient avoir la gravité sur la localisation des phases juste avant la distribution. Par ailleurs le tuyau d'amenée sera avantageusement positionné de façon verticale et de longueur supérieure à dix fois son diamètre de sorte que l'écoulement multiphasique présente un faciès axisymétrique (au moins en moyenne sur une période de quelques secondes), gage d'équité de la distribution.
Selon l'application souhaitée, ces distributeurs peuvent présenter certaines limites.
La hauteur de plusieurs mètres de ces distributeurs les rend encombrants, ce qui peut être problématique pour l'architecture de l'installation sous-marine, particulièrement lorsque les installations en aval de la distribution sont à une altitude relativement faible.
Par ailleurs, de par l'application de la fonction de distribution sur l'ensemble du flux d'arrivée, ces distributeurs ne permettent pas de dissocier le gaz du liquide. Or, pour des questions d'optimisation de taille des équipements aval, ou des raisons d'efficacité, il peut être nécessaire d'extraire la phase gazeuse pour ne distribuer que les phases liquides aux installations de traitement aval. Il sera en effet très avantageux d'extraire la phase gazeuse au niveau du distributeur pour contourner les séparateurs liquide/liquide (eau/huile par exemple) ou les échangeurs de chaleur ou autre équipement, pour la réinjecter en aval du traitement, puisque l'efficacité et la taille de ces équipements sont nettement affectées par la quantité de gaz qui les traverse.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de proposer un distributeur de fluide multiphasique qui ne présente pas les inconvénients précités.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un distributeur de fluide multiphasique comprenant une enceinte cylindrique ayant à une extrémité longitudinale un orifice d'entrée et à une extrémité longitudinale opposée une pluralité d'orifices de sortie cylindriques de même section droite, régulièrement répartis autour d'un axe longitudinal de l'enceinte et alignés selon un même plan transversal à l'enceinte, les orifices d'entrée et de sortie s'ouvrant chacun à l'intérieur de l'enceinte selon une direction sensiblement tangentielle à l'enceinte.
Le fonctionnement du distributeur selon l'invention est le suivant : le fluide multiphasique pénètre à l'intérieur de l'enceinte par l'orifice d'entrée en étant injecté tangentiellement à celle-ci. Grâce à la force centrifuge, la phase liquide d'un fluide gaz/liquide va se plaquer contre la paroi interne de l'enceinte pour former un film liquide s'écoulant selon un mouvement giratoire hélicoïdal, tandis que la partie gazeuse du fluide gaz/liquide va former un écoulement gazeux central s'écoulant longitudinalement de bas en haut au centre du film de liquide. Le fluide multiphasique entrant à l'intérieur de l'enceinte est dirigé vers l'extrémité opposée de l'enceinte, de sorte que les particules du film liquide ainsi créé suivent des trajectoires hélicoïdales ascendantes. Une fois parvenu à l'extrémité opposée de l'enceinte, le film liquide est éjecté sous l'effet de la force centrifuge hors de l'enceinte en passant par les orifices de sortie. Quant à la phase gazeuse du fluide multiphasique, elle va s'accumuler au centre de la partie haute de l'enceinte et pourra s'écouler par la partie supérieure des orifices de sortie. Si le film liquide occupe cependant toute la section de ces orifices, cette phase gazeuse va voir sa pression augmenter jusqu'à s'échapper périodiquement par les orifices de sortie en traversant le film liquide lorsque sa pression devient supérieure à celle des orifices de sortie (phénomène de pulsations rapides).
L'équidistribution de différentes phases du fluide multiphasique résulte ainsi de la symétrie axiale du distributeur et de la symétrie axiale de l'écoulement au sein de l'enceinte. Par ailleurs, il a été constaté que le fluide multiphasique est équitablement évacué par les différents orifices de sortie, pourvu que la vitesse de centrifugation du fluide soit suffisante et que la pulsation de l'expulsion intermittente de la phase gazeuse du fluide multiphasique s'effectue également de façon équitable.
A cet effet, une vitesse tangentielle minimale de 0.8m/s ainsi qu'une vitesse axiale minimale de O.lm/s pour l'ensemble des phases combinées sont nécessaires, dans l'enceinte. Ces vitesses sont obtenues par le dimensionnement approprié de l'enceinte et de ses éléments internes en fonction des débits fluides à considérer. Quant à la pulsation de l'expulsion de la phase gazeuse à travers le film liquide devant les orifices de sortie, elle s'effectue de façon équitable pourvu que les pressions régnant dans chacun des orifices de sortie soient sensiblement équilibrées.
De préférence, le distributeur comprend en outre des moyens de guidage de fluide pour imprimer un mouvement hélicoïdal au fluide s'écoulant à l'intérieur de l'enceinte depuis l'orifice d'entrée vers les orifices de sortie.
Les moyens de guidage de fluide peuvent avantageusement comprendre une rampe de guidage ayant une forme d'hélice centrée sur l'axe longitudinal de l'enceinte. Dans ce cas, la rampe de guidage peut être portée par un cylindre centré sur l'axe longitudinal de l'enceinte ou par une paroi interne de l'enceinte. Lorsque porté par un cylindre, ce dernier porte en outre de façon avantageuse un déflecteur positionné en regard de l'orifice d'entrée pour aider le fluide à emprunter la rampe de guidage.
Par ailleurs, l'orifice d'entrée s'ouvre avantageusement à l'intérieur de l'enceinte en formant un angle incliné en direction des orifices de sortie. L'orifice d'entrée peut former un angle avec un axe transversal de l'enceinte qui est sensiblement égal à un angle de l'hélice de la rampe de guidage. De préférence, l'angle que font l'orifice d'entrée et l'hélice de la rampe de guidage avec l'axe transversal de l'enceinte est compris entre 5° et 30°.
Le distributeur peut comprendre en outre un anneau en matériau résistant à l'érosion centré sur l'axe longitudinal de l'enceinte et positionné à l'intérieur de celle-ci, ledit anneau étant muni d'une pluralité de fentes de passage de fluide positionnées chacune en regard d'un orifice de sortie.
Pour certaines applications comme les séparateurs liquide/liquide ou les échangeurs de chaleur par exemple, l'enceinte peut comprendre en outre un orifice d'échappement gazeux centré sur l'axe longitudinal de l'enceinte et situé à l'extrémité longitudinale de l'enceinte au niveau de laquelle sont positionnés les orifices de sortie. Cet orifice d'échappement permet d'extraire le plus possible de gaz en amont de la distribution de façon à minimiser la teneur en gaz du fluide distribué.
L'enceinte peut être formée par l'assemblage étanche entre un caisson et un couvercle, l'orifice d'entrée étant formé dans le caisson et les orifices de sortie étant formés dans le couvercle.
De préférence, les moyens de guidage de fluide sont configurés pour permettre au fluide d'effectuer deux tours autour de l'axe longitudinal de l'enceinte depuis l'orifice d'entrée jusqu'aux orifices de sortie. Cette caractéristique permet d'obtenir une enceinte de grande compacité en réduisant la distance de parcours entre l'orifice d'entrée et les orifices de sortie. Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un distributeur selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue de côté du distributeur de la figure 1 ;
- les figures 3 à 5 sont des vues en coupe de la figure 2, respectivement selon III-III, IV-IV et V-V ;
- la figure 6 est une vue de côté d'un distributeur selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est une vue en coupe selon VII-VII du distributeur de la figure 7 ;
- la figure 8 est une vue en coupe transversale du distributeur montrant ses orifices de sortie ; et
- la figure 9 est une en perspective montrant une rampe de guidage pouvant équiper les distributeurs des figures 1 et 6.
Description détaillée de l'invention
L'invention concerne un distributeur de fluide multiphasique équipant des équipements sous-marins de traitement des effluents, notamment les séparateurs gravitaires segmentés qui sont utilisés dans la production d'hydrocarbures en offshore profond.
Par « fluide multiphasique », on entend ici un fluide comprenant au moins deux phases différentes, par exemple une phase liquide et une phase gazeuse.
Les figures 1 à 5 montrent un distributeur 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Le distributeur 2 comprend notamment une enceinte cylindrique 4 d'axe longitudinal X-X positionnée verticalement. Au niveau de son extrémité longitudinale inférieure, l'enceinte 4 comprend un orifice d'entrée 6 pour le fluide multiphasique. Au niveau de son extrémité longitudinale supérieure opposée à l'extrémité inférieure, l'enceinte présente une pluralité d'orifices de sortie cylindriques 8.
Plus précisément, l'orifice d'entrée 6 s'ouvre à l'intérieur de l'enceinte 4, d'une part selon une direction sensiblement tangentielle à celle-ci, et d'autre part en formant un angle a avec un axe transversal Y-Y de l'enceinte qui est incliné en direction des orifices de sortie 8. Cet angle a est de préférence compris entre 5° et 30°.
De la sorte, le fluide multiphasique pénètre dans l'enceinte du distributeur dans sa partie basse en étant animé d'un mouvement hélicoïdal ascendant autour de l'axe longitudinal X-X de l'enceinte. L'orientation tangentielle de l'orifice d'entrée permet notamment de limiter l'impact du jet de fluide multiphasique contre la paroi interne de l'enceinte et facilite la formation rapide d'un film liquide en rotation hélicoïdale, plaqué contre la paroi interne du corps du distributeur 4. Quant aux orifices de sortie 8, ils sont sur l'exemple de réalisation des figures 1 à 5 au nombre de huit et sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal X-X de l'enceinte.
De plus, les orifices de sortie 8 présentent chacun une forme cylindrique d'axe longitudinal respectif 8a, ces axes longitudinaux 8a étant tous situés dans un même plan tranversal P de l'enceinte 4. La section droite (de forme circulaire) des orifices de sortie est identique pour l'ensemble des orifices de sortie et ils s'ouvrent à l'intérieur de l'enceinte selon une direction sensiblement tangentielle à celle-ci.
Par ailleurs, comme représenté sur la figure 5, les axes longitudinaux 8a respectifs de deux orifices de sortie adjacents 8 forment entre eux un angle β qui est de préférence inférieur à 30°, cet angle β étant le même pour l'ensemble des orifices de sortie.
Ainsi, la distribution des orifices de sortie 8 présente une symétrie axiale par rapport à l'axe longitudinal X-X. Il en résulte que lorsque le liquide plaqué contre la paroi interne de l'enceinte et animé d'un mouvement hélicoïdal ascendant autour de l'axe longitudinal X-X de l'enceinte parvient au niveau du plan transversal P, il est éjecté, sous l'effet de la force centrifuge, dans l'ensemble des orifices de sortie, le débit éjecté de fluide par chaque orifice de sortie étant sensiblement le même pour l'ensemble des orifices de sortie du fait de la régularité de l'épaisseur du film liquide et de son mouvement hélicoïdal ascendant.
Le distributeur selon l'invention comprend en outre des moyens de guidage de fluide pour imprimer un mouvement hélicoïdal au fluide s'écoulant à l'intérieur de l'enceinte depuis l'orifice d'entrée vers les orifices de sortie.
A cet effet, une rampe de guidage 10 ayant une forme d'hélice centrée sur l'axe longitudinal X-X de l'enceinte 4 du distributeur est positionnée à l'intérieur de l'enceinte entre l'orifice d'entrée 6 et les orifices de sortie 8.
Comme représenté sur les figures 3 et 4, cette rampe de guidage 10 en forme d'hélice peut être plus précisément portée par un cylindre 12 qui est centré sur l'axe longitudinal X-X de l'enceinte. Alternativement, cette rampe de guidage pourrait être portée par la paroi interne de l'enceinte. Par ailleurs, l'orientation et l'angle que forme l'hélice de la rampe de guidage 10 avec un axe transversal Y-Y de l'enceinte sont identiques à l'orientation et à l'angle a que forme l'orifice d'entrée 6 avec cet axe transversal.
Le fonctionnement du distributeur 2 découle de ce qui précède.
Le fluide multiphasique pénètre par le bas dans l'enceinte 4 du distributeur de façon tangentielle à celle-ci et est dirigé vers le haut du distributeur avec un angle compris entre 5° et 30° par rapport à l'horizontal. Sous l'effet de la force centrifuge, la phase liquide du fluide multiphasique va développer un film liquide plaqué contre la paroi interne de l'enceinte, ce film liquide empruntant le cas échéant la rampe de guidage 10 pour être dirigé vers la partie haute de l'enceinte où sont positionnés les orifices de sortie 8. Quant à la phase gazeuse du fluide multiphasique, elle va se concentrer au centre de l'enceinte pour remonter vers le haut de l'enceinte.
Arrivé au niveau de la partie haute de l'enceinte, le film liquide s'écoulant de manière hélicoïdale autour de l'axe longitudinal X-X est éjecté sous l'effet de la force centrifuge hors de l'enceinte dans chaque orifice de sortie 8 en étant distribué de manière égale pour tous les orifices de sortie. Quant à la phase gazeuse du fluide multiphasique, elle va s'accumuler au centre de la partie haute de l'enceinte et pourra s'écouler par la partie supérieure des orifices de sortie. Si le film liquide occupe cependant toute la section de ces orifices, cette phase gazeuse va voir sa pression augmenter jusqu'à ce qu'elle s'échappe périodiquement par les orifices de sortie 8 lorsque sa pression dépasse celle des orifices de sortie (phénomène de pulsation).
Dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, on notera que le distributeur 2 comprend en outre un anneau 14 qui est centré sur l'axe longitudinal X-X de l'enceinte et qui est positionné à l'intérieur de celle-ci, cet anneau étant muni d'une pluralité de fentes de passage de fluide 16 qui sont positionnées chacune en regard d'un orifice de sortie 8.
La présence de cet anneau 14 avec ses fentes de passages de fluide 16 en amont des orifices de sortie 8 a pour avantage d'autoriser l'utilisation de matériaux résistant à l'érosion, tels que céramique, carbures de tungstène, etc. dans les zones présentant des arêtes vives à préserver de l'érosion que peuvent induire des grandes vitesses d'écoulement et des particules solides possiblement entraînées par le fluide, tout en conservant pour les autres parties du distributeur l'emploi de matériaux plus classiques, moins onéreux et plus facile à usiner, comme l'acier au carbone, les alliages fer-nickel, etc.
Toujours dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, on notera également que l'enceinte 4 est formée par l'assemblage entre un caisson 18 et un couvercle 20, l'orifice d'entrée 6 étant formé dans le caisson 18 et les orifices de sortie 8 étant formés dans le couvercle. Cet assemblage est rendu étanche par l'intermédiaire d'un joint de soudure annulaire 22 entre ces deux éléments.
En liaison avec les figures 6 à 8, on décrira maintenant un distributeur selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce second mode de réalisation, le distributeur est par exemple utilisé dans un séparateur gravitaire sous-marin du type huile/eau, ou un échangeur de chaleur multitubes.
Avec ce type de traitement et selon les spécifications du cas d'application particulier (taille, poids, efficacité), il peut être nécessaire d'extraire le plus possible de gaz du fluide multiphasique en amont de la distribution de façon à minimiser la teneur en gaz des fluides en sortie du distributeur, donc à l'entrée de l'équipement de traitement.
A cet effet, et par rapport au premier mode de réalisation précédemment décrit, l'enceinte 4' du distributeur 2' de ce second mode de réalisation comprend en outre un orifice d'échappement gazeux 24 qui est centré sur l'axe longitudinal X-X de l'enceinte et qui est situé à l'extrémité longitudinale de l'enceinte au niveau de laquelle sont positionnés les orifices de sortie 8'. De plus, une zone tampon 26 est aménagée au sein de l'enceinte 4' entre les orifices de sortie 8' et l'orifice d'échappement gazeux 24.
Le fonctionnement de ce distributeur 2' est le suivant. Le fluide multiphasique pénètre dans l'enceinte 4' du distributeur de façon tangentielle à celle-ci et est dirigé vers le haut du distributeur avec un angle compris entre 5° et 30° par rapport à l'horizontal. Sous l'effet de la force centrifuge, la phase liquide du fluide va développer un film liquide plaqué contre la paroi interne de l'enceinte, ce film liquide empruntant le cas échéant la rampe de guidage 10' pour être dirigé vers la partie haute de l'enceinte où sont positionnés les orifices de sortie 8'. Quant à la phase gazeuse du fluide multiphasique, elle va se concentrer au centre de l'enceinte pour remonter vers le haut de l'enceinte.
Arrivé au niveau de la partie haute de l'enceinte, le film liquide s'écoulant de manière hélicoïdale autour de l'axe longitudinal X-X de l'enceinte 4' est éjecté sous l'effet de la force centrifuge hors de l'enceinte dans chaque orifice de sortie 8' en étant distribué de manière égale pour tous les orifices de sortie.
Quant à la phase gazeuse du fluide multiphasique, elle va s'accumuler au niveau de la zone tampon 26 dans la partie haute de l'enceinte 4'. Dans cette zone tampon, le gaz va se débarrasser des dernières gouttes de liquide qui sont entraînées radialement par la force centrifuge et verticalement par leur propre poids pour rejoindre le film liquide et être évacuées par les orifices de sortie 8'. Lorsque la pression du gaz dans cette zone tampon dépassera celle de l'orifice d'échappement gazeux 24, la phase gazeuse du fluide multiphasique sera évacuée par l'orifice d'échappement gazeux mais aussi par les orifices de sortie, pourvu que la pression qui y règne reste strictement inférieure à celle régnant dans les orifices de sortie 8'.
Il pourra être prévu de positionner un système coalesceur (réseau grillagé ou autre) en entrée de l'orifice d'échappement gazeux pour filtrer les particules de liquide ou de positionner des diaphragmes à différentes hauteurs au-dessus des orifices de sortie 8'.
Selon une disposition avantageuse de l'invention commune aux deux modes de réalisation précédemment décrits et illustrée sur la figure 9, le cylindre 12, 12' qui porte la rampe de guidage 10, 10' porte en outre un déflecteur 28 qui est positionné en regard de l'orifice d'entrée. Ce déflecteur permet d'aider le fluide à emprunter la rampe de guidage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Distributeur (2 ; 20 de fluide multiphasique comprenant une enceinte (4 ; 4') cylindrique ayant à une extrémité longitudinale un orifice d'entrée (6 ; 6 et à une extrémité longitudinale opposée une pluralité d'orifices de sortie (8 ; 8') cylindriques de même section droite, régulièrement répartis autour d'un axe longitudinal (X-X) de l'enceinte et alignés selon un même plan (P) transversal à l'enceinte, les orifices d'entrée et de sortie s'ouvrant chacun à l'intérieur de l'enceinte selon une direction sensiblement tangentielle à l'enceinte, le distributeur comprenant en outre des moyens de guidage de fluide (10 ; 10') pour imprimer un mouvement hélicoïdal au fluide s'écoulant à l'intérieur de l'enceinte depuis l'orifice d'entrée vers les orifices de sortie.
2. Distributeur selon la revendication 1, dans lequel les moyens de guidage de fluide comprennent une rampe de guidage (10 ; 10') ayant une forme d'hélice centrée sur l'axe longitudinal de l'enceinte.
3. Distributeur selon la revendication 2, dans lequel la rampe de guidage (10 ; 10') est portée par un cylindre (12 ; 120 centré sur l'axe longitudinal de l'enceinte ou par une paroi interne de l'enceinte.
4. Distributeur selon la revendication 3, dans lequel le cylindre porte en outre un déflecteur (28) positionné en regard de l'orifice d'entrée (6 ; 6') pour aider le fluide à emprunter la rampe de guidage.
5. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel l'orifice d'entrée (6 ; 60 s'ouvre à l'intérieur de l'enceinte en formant un angle (a) incliné en direction des orifices de sortie (8 ; 8').
6. Distributeur selon la revendication 5, dans lequel l'orifice d'entrée (6 ; 60 forme un angle (a) avec un axe transversal (Y-Y) de l'enceinte qui est sensiblement égal à un angle de l'hélice de la rampe de guidage.
7. Distributeur selon la revendication 6, dans lequel l'angle que font l'orifice d'entrée et l'hélice de la rampe de guidage avec l'axe transversal de l'enceinte est compris entre 5° et 30°.
8. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre un anneau (14) en matériau résistant à l'érosion centré sur l'axe longitudinal de l'enceinte et positionné à l'intérieur de celle-ci, ledit anneau étant muni d'une pluralité de fentes de passage de fluide (16) positionnées chacune en regard d'un orifice de sortie.
9. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enceinte (4 comprend en outre un orifice d'échappement gazeux (24) centré sur l'axe longitudinal de l'enceinte et situé à l'extrémité longitudinale de l'enceinte au niveau de laquelle sont positionnés les orifices de sortie (80-
10. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à
9, dans lequel l'enceinte est formée par l'assemblage étanche entre un caisson (18) et un couvercle (20), l'orifice d'entrée étant formé dans le caisson et les orifices de sortie étant formés dans le couvercle.
11. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à
10, dans lequel les moyens de guidage de fluide (10 ; 100 sont configurés pour permettre au fluide d'effectuer deux tours autour de l'axe longitudinal de l'enceinte depuis l'orifice d'entrée jusqu'aux orifices de sortie.
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