<Desc/Clms Page number 1>
Procédé et appareil pour la séparation des partioules La présente invention se rapporte à la séparation de particules. Plus particulièrement, elle concerne un procédé et un appareil pour la séparation sélective de particules sur la base do leurs dimensions et de leur densité.
Différents procédés et appareils ont été utilises pour résoudre les prohibes de la séparation des particules présentant des caractéristiques différentes. On envisage ici à la fois la séparation des particules les unes des autres et la séparation des particules de fluides qui peuvent leur servir de véhicules. Des exemples de procédés auxquels l'invention est applicable sont le traitement des gaz, le traitement de fluides contenant différentes matières solides qui doivent être séparées suivant les caracté- ristiques des particules telles que leur dimension et leur densité, et la séparation d'isotopes de l'uranium.
Les gaz peuvent contenir
<Desc/Clms Page number 2>
en suspension différentes particules liquides et solides qui doi- vent être séparées les unes des autres et séparées des gaz dans lesquels elles sont en suspension. Un mélange de gaz peut être séparé suivant les poids moléculaires des différentes particules qui constituent chacun des gaz constituant le mélange. Dans le do- maine de la séparation des isotopes, on peut désirer séparer l'uranium 235 de l'uranium 238.
Un problème particulièrement important dans l'industrie du pétrole est le traitement des boucs de forage qui entraîne la manipulation de quantités importantes de liquides contenant des particules de matière solide qui doivent &tre retenues dans le circuit des boues de forage et des particules de matière solide qui sont entraînées par le liquide au cours du forage et qui doivent être éliminées. La teneur en matières solides() d'une boue de forage doit être soigneusement réglée pour que le liquide donne de bons résultats au cours du forage. Le réglage de la viscosité et du poids sont des conditions qui entrent en jeu dans la préparation et les manipulations des boues de forage. Le liquide doit être char- gé d'une matière en poudre à densité relativement élevée, comme la barytine.
La viscosité du liquide de forage est réglée à une valeur correspondant aux desiderata d'une consommation d'énergie réduite pour le pompage et du degré requis de stabilisation désirée du fora- ge. Au cours de la circulation de la boue de forage dans le puits, les débris de roches finement divisés s'accumulent dans le liquide et la viscosité de ce liquide augmente souvent jusqu'au point de le rendre impompable. Il est donc nécessaire d'éliminer une partie des débris finement divisés et de rétablir la viscosité désirée du li- quide. Non seulement, les débris Accumulés doivent être séparés des matières utilisées pour augmenter le poids du liquide mais ils doi- vent également être séparés des liquides à reolrculer dans le puits.
La viscosité peut acre réduite en ajoutant un agent de mise en suspension, mais dans un circuit fermé on doit alors prélever une quantité de liquide équivalente à celle qu'on ajoute. Si l'on n'a
<Desc/Clms Page number 3>
pas recourt aux procédés et aux appareils Remettant de séparer les débris indésirables de ceux qui doivent être conserves dans le liquida le prélèvement de liquides en quantités égales aux liquides ajoutés afin de réduire la viscosité provoque la perte de matières coûteuses qui augmente sensiblement les frais de forage.
Un appareil couramment utilisé pour séparer les particu- les solides des liquides est la centrifugeuse. En fonctionnement, les centrifugeuses font tourner normalement la masse toute entière de matière traitée, ce qui, bien entendu, exi@@ une force motrice importante. D'autre part, la rotation de la masse toute entière de matière traitée provoque une concentration de matière sous la forme d'une boue sur les parois Intérieures de la cuve de la centrifugeuse. Par suite de certaines caractéristiques particulières de certaines boues de forage, il est difficile d'utiliser une cen- trifugeuse pour exécuter la séparation du liquide et des matières solides.
Les boues de forage contenant des matières solides sont constituées de telle façon qu'elles ont tendance à se prendre en gel ou se figer dans des conditions de repos. Ces types de boues de forage lorsqu'on les traite dans une centrifugeuse où la masse toute entière atteint la vitesse angulaire des parties rotatives de la centrifugeuse, ont tendance à gélifier et A prendre une consistance qui empêche la migration désirée des particules à sépa- rer.
Un but de l'invention est de procurer un procède et un appareil pour assurer la séparation des particules suivant leur di- mension et leur densité* Un autre but de l'invention est de procurer ? un procède et un appareil pour assurer la séparation des particules dans lequel il ne soit pas nécessaire de soumettre la aasse de Matière toute entière à l'action centrifuge. Ces buts et d'autres de l'invention ressortiront de la description détaillée faite ci- après, avec référence aux dessins annexes.
On a trouve qu'en soumettant une tasse de liquide au type décrit d'action centrifuge le long d'une enceinte pratiquement cylindrique et en appliquant une différence de pression d'un cote
<Desc/Clms Page number 4>
à l'autre de cette enceinte pour que le liquide franchisse l'encein. te et passe vers le centre de celle-ci contre l'Action centrifuge, on crée un état dans lequel on obtient la séparation des particules suivant leur poids et leur granulome* trie* Dans la zone le long de l'enceinte cylindrique s'établit un fila relativement mince où existe un écoulement laminaire.
Dans la sont entre oe film mince et la paroi intérieure du récipient dans lequel s'effectue la sépara tion, c'est-à-dire dans l'espace situé radialement vers l'extérieur du film mince le long de l'enceinte cylindrique, règne un état de turbulence élevé. Ces conditions sont différentes des conditions régnant dans une centrifugeuse classique où la masse toute entière . de matière à traiter est entraînée dans un mouvement de rotation et où aucune turbulence ne se produit.
Dans la présente invention, une force centrifuge est appliquée aux particules entraînées dans un mouvement de rotation dans le film mince voisin de l'enceinte cylindrique et, par consé- quant, ces particules ont tendance à s'écarter de l'enceinte vers l'extérieur. Simultanément, une force tendant à rapprocher les particules de l'enceinte et à leur faire franchir celle-ci est imposée par le liquide qui franchit l'enceinte et s'écoule vers le centre de celle-ci, par suite de la différence de pression dans le liquide de part et d'autre de l'enceinte.
La vitesse radiale nette des particules est la différence entre la vitesse due à la composante radiale de la force communiquée aux particules par l'ac- tion centrifuge et la vitesse due à la force radiale appliquée aux particules par suite du courant de liquide qui franchit l'en... ceinte et passe vers le centre de celle-ci. Si la vitesse des parti- cules due au courant de liquide est plus importante, les particules franchissent l'enceinte et passent vers le centre de celle-ci. Si la vitesse des particules due à l'action centrifuge est la plus importante, les particules s'écartent de l'enceinte.
La vitesse des particules franchissant l'enceinte et passant vers le centre de celle-ci ne dépend que de la vitesse du liquide qui franchit l'enceinte et passe vers le centre de celle-ci, tandis que,
<Desc/Clms Page number 5>
d'autre part, la 'Vitesse radiale des particules sous l'effet de la force centrifuge dépend du diamètre équivalent de sédimentation et de la densité des particules.
En soumettant une partie du liquide à un degré déterminé d'action centrifuge, les particules dont la densité et la granulométrie dépassent une valeur déterminée sont animées d'une vitesse radiale supérieure à la vitesse d'écoulement du liquide franchissant l'enceinte vers le centre de celle-ci et, par conséquent, ces particules restent à l'extérieur de l'enceinte tandis que les particules restantes, inféreures à la densité et à la granulométrie déterminées, franchissent l'enceinte et passent ,fers le centre de celle-ci du fait que leur vitesse due au courant de liquide est supérieure à leur vitesse radiale due à l'action centrifuge.
Suivant l'invention, on sépare des particules d'après leur gr&nuloaétrie et leur densité* Le liquide 1 traiter est intro- duit dans une chambre ou récipient fermé étanchée Une partie du li- quide dans la chambre est soumise à l'action centrifuge dans une mesure déterminée suivant la séparation désirée* L'action centrifuge est appliquée à une partie du liquide le long d'une enceinte essen- tiellement circulaire* Simultanément,
le liquide est soumis à une différence de pression d'un cote à l'autre de cette enceinte circu- laire pour assurer un courant de liquide franchissant l'enceinte vers le centre de celle-ci. La partie du liquide qui franchit l'enceinte vers le centre de celle-ci et qui sort Appelée ci-après l' *effluent% est soutirée du récipient suivant un trajet allant de l'intérieur de l'enceinte vers l'extérieur du récipient* Le reste du liquide à l'intérieur du récipient et qui sera appelé ci-aprèsle "courant inférieur* comprend les particules qui n'ont pas franchi l'enceinte et est soutiré du récipient Le degré de séparation des particules
d'après la granulométrie et la densité* peut être réglé en faisant varier certaine facteurs, notamment la quantité de liquide passant par la limite cylindrique et la quantité d'action centrifuge utilisée*
Dans les dessins annexés :
<Desc/Clms Page number 6>
Fige 1 est une coupe longitudinale d'une forme de l'appa- reil ;
Fig. 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la Fig.1; Fige 3 est une coupe semblable a la Fig. 2 d'une autre tome de l'invention;
Fig. 4, qui se rapporte à une exécution particulière d'un appareil construit suivant l'invention, montre une famille de courbes Illustrant l'effet de différents rapports entre la surface perforée du cylindre et la surface totale du cylindre sur la pro- portion en pour-cent de séparation des particules dans différentes conditions de vitesse de rotation du cylindre, de viscosité et de quantité d'effluent séparé dans l'appareil.
Sur la Figé 1, un récipient ou corps 10 comprend une chambre intérieure 11 qui est fermée à une extrémité de façon étan- che et à l'autre extrémité par un fond d'une pièce avec le réel* filent Evidemment, les deux extrémités de la chambre 11 peuvent être fermées par des couvercles amovibles étanches* Bien que le récipient et la chambre représentés soient essentiellement cylindri- ques, ils peuvent avoir d'autres formes désirées parce que tout le fluide et les matières solides traitées dans la chambrell ne doi- vent pas être soumis en même temps à l'action centrifuge.
La matiè- re traitée par le procédé de l'invention est introduite dans la chambre 11 par une conduite 12 qui est reliée au récipient près d'une de ses extrémités. La conduite 12 est munie d'une vanne 13 pour régler l'introduction de la matière à traiter. La partie de la matière s'écoulant dans l'appareil et qui a été appelée plus haut le courant inférieur, sort de la chambre 11 par une conduite 14 munie d'une vanne de réglage 15. Pour un fonctionnement efficace de l'appareil, la conduite 14 débouche dans le récipient 10 à l'extrémité du récipient opposée à la conduite d'entrée 12.
Les points exacts de raccordement des conduites 12 et 14 dans le réci- pient 10 ne sont pas critiques, à condition que la matière traitée ne puisse avoir tendance à by-passer la partie de l'appareil qui as-
<Desc/Clms Page number 7>
sure la séparation désirée des particules,
Le couvercle et le support de palier 20 sont fixés .au récipient 10 par plusieurs boulons 21. Un Joint étanche au fluide est établi entre le récipient et le couvercle 20 par un Joint tori- que 22 placé dans la gorge 23 ménagée dans l'extrémité du récipient 10 à laquelle est fixé le couvercle.
L'extrémité du récipient 10 opposée à celle à laquelle le couvercle 20 est fixé peut aussi être munie d'ure fermeture étanche amovible, non représentée, au lieu du fond d'une pièce, représenté.
Dans la chambre 11 se trouve un cylindre rotatif creux 24 percé d'une série de perforations 25 pratiquement sur toute sa surface. Le cylindre 24 est monté dans la chambre sur un arbre creux rotatif 30 par des fonds non perforés 31 et 32, Entre le cy- lindre 24 et l'arbre 30 se trouvent des cloisons pleines 33 qui s'étendent radialement depuis la surface extérieure de l'arbre 30 jusqu'à la surface intérieure du cylindre 24 et longitudinalement dans le sens de la longueur de l'arbre et du cylindre entre les fonds 31 et 32.
Les cloisons 33 servent à diviser l'espace annu- laire autour de l'arbre 30 dans le cylindre 24 en une série de com- partiments séparés* Dans la forme particulière de l'appareil illus- tré aux Figs. 1 et 2, trois cloisons sont utilisées, divisant l'espa- ce annulaire en trois compartiments mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à un appareil utilisant trois cloi- sons. La forme d'appareil illustrée aux Fige. 1 et 2,peut utiliser n'importe quel nombre de cloisons 33 depuis un minimum de deux, auquel cas l'espace annulaire est divisé en deux compartiments.
Sur toute la longueur, l'arbre creux 30 présente un conduit ou un alésage 34. L'arbre creux 30 est également percé sur la partie de sa longueur s'étendant entre les éléments 31 et 32 d'une série d'ouvertures 35 passant à travers l'arbre entre l'alésage 34 et chacun des compartiments dans l'espace annulaire défini par les cloisons 33 afin de permettre au fluide de passer dechacun des compartiments de l'espace annulaire dans l'alésage del'arbre.
Dans la variante de l'appareil représenté à la Fig. 3,
<Desc/Clms Page number 8>
les cloisons 33 sont supprimées, laissant ainsi un espace annulaire continu autour de l'arbre 30 dans le cylindre 24, entre les fonds 31 et 32. Cette forme particulière de l'invention peut être utilisée lorsque l'appareil fonctionne dans des conditions exposées plus loin. A part les cloisons 33, la forme de l'invention représentée à la fige 3 est identique à celle des Figs. 1 et 2.
Le cylindre 24 constitue l'enceinte cylindrique citée plus haut et communique une action centrifuge à la partie de la matière qui l'entoure immédiatement. Le liquide s'écoulant par les perforations 25 avec les particules dont la vitesse radiale nette est orientée vers le centre du cylindre, constitue l'effluent qui s'écoule de la partie extérieure du cylindre à l'intérieur du cy- lindre. L'effluent passe de l'intérieur du cylindre par les ouver- tures 35 dans l'alésage 34 d'où il est extrait de l'appareil.
A l'extrémité supérieure de l'arbre 30, se trouve un joint rotatif 40 relié à une conduite fixe 41 munie d'une vanne 42 pour régler le débit dans la conduite. Le joint rotatif 40 peut être n'importe quelle forme d'accouplement ** tanche au fluide qui permet à l'arbre 30 de tourner à grande vitesse tandis que le liqui* de passe par l'arbre et le joint rotatif dans la conduite 41. L'ar- bre 30 est supporté, de façon à tourner à l'intérieur du couvercle 20, dans des paliers 43, 44 qui sont maintonus @carrtés par un manchon intérieur 45.
Les paliers représentés sont du type à roule- ments à billes, bien que d'autres types de paliers permettent une rotation à grande vitesse de l'arbre puissent être utilisés* Autour de l'arbre et à l'intérieur du support 51, une série de joints 50 empêchent les fuites de l'intérieur de la chambre 11 autour de la surface extérieure de l'arbre 30. Des trous d'écoulement 51 traver- sent le couvercle 20 au-dessus des joints 50 de façon à permettre au liquide qui aurait fui autour des joints de sortir de l'appareil sans entrer en contact avec les paliers. Un moteur, non représenté, est relié par une courroie 52 à une poulie 53 calée sur l'arbre 30, de façon à faire tourner celui-ci.
Le moteur peut être relié à l'arbre par d'autres formes d'entraînement mécaniques, par exemple
<Desc/Clms Page number 9>
desengranages.
81 les condition de traitement le rendent désirable du point de vue construction mécanique, l'arbre 30 peut être prolongé à travers l'extrémité du récipient 10 voisine de la conduite 12 fin d'obtenir une portée supplémentaire pour l'arbre et le cylindre 24 qu'il porte* Dans ce cas, bien entendu, des joints et des pa- liera appropriât! doivent être prévus à cette extraite du récipient.
Dans un tel agencement l'alésage intérieur 34 ne retendrait pas nécessairement dans cette partie de l'arbre puisque ce prolongement de l'arbre servirait simplement à augmenter la rigidité mécanique de 1)ensemble, Pareil agencement assurerait simplement le soutien de l'arbre 30 aux deux extrémités et n'affecterait en rien les principes fondamentaux du fonctionnement de l'appareil de l'inven- tion.
Bien que l'appareil soit représenté en position vertica- len il est clair qu'il peut également fonctionner en position hori- zontale ou en position inversée par rapport à la position représen- tée.
La forme de l'invention illustrée à la ?lige 3 peut être encore modifiée en supprimant la partie de l'arbre 30 s'étendant à l'intérieur du cylindre 24 entre les fonds 31 et 32 et en faisant le fond 32 d'une pièce avec le cylindre. Dans cette variante le cylindre 24 est simplement fixé à son extrémité supérieure à l'ex- trémité inférieure de l'arbre 30. Les liquides et les matières soli- des séparées s'écoulent dans le cylindre comme décrit plus haut et peuvent être retirés du cylindre à l'extrémité supérieure de celui. ci et passent alors dans l'alésage 34. Toutefois, l'efficience de l'opération est légèrement inférieure avec un appareil construit de cette manière.
Le nombre et les dimensions des perforations 35 dans l'arbre 30 ne sont pas critiques. Il suffit qu'elles soient .assez grandes pour laisser passer la quantité de liquide dans le cylindre et d'un diamètre suffisant pour permettre aux plus grosses partioules s'écoulant dans le cylindre de sortir par la conduite 34.
<Desc/Clms Page number 10>
L'appareil n'est pas particulièrement sensible aux dimen- siensou &u nombre des perforations 25 dane le cylindre 24. Les seules conditions critiques pour ces perforations sont que leur surface totale doit être suffisante pour traiter le volume maximum de matière appelé à passer à travers le cylindre au cours du fonc- tionnement et que chaque perforation soit suffisamment grande pour qu'elle ne puisse être obstruée par les plus grosses particules solides du mélange traite.
Afin de satisfaire à cette condition, chacune des perforations * de préférence une surface plusieurs foie supérieure à la section transversale des plus grosses particules qui peuvent s'écouler dans la chambre, afin d'empêcher que plusieurs particules colmatent ensemble la perforation et la bouchent* Il est possible que chacune de ces perforations soit plusieurs fois plus grande que les plus grosses particules de la matière traitée parce que le procédé de séparation exécuté à l'aide de cet appareil ne dépend nullement d'une Action filtrante ou de classification par les perforations du cylindre. Si les perforations étaient suffi- samment petites pour qu'elles puissent être colmatées par l'une ou l'autre des particules du mélange traité, l'appareil pourrait être mishors d'usage par le colmatage dû à ces particules.
De préféren- ce, la surface totale des perforations représente environ 5 à 50% de la surface totale du cylindre 24 à l'exclusion des fonds du cylindre. La Demanderesse ne désire toutefois pas limiter le rap- port entre la surface perforée et la surface totale du cylindre à cette gamme précise parce que des expériences ont montré que l'appa- reil peut fonctionner dans une gamme encore plus large, bien qu'il soit probable que l'efficience de fonctionnement soit légèrement diminuée pour des rapports supérieurs et inférieurs à cette gamme.
Les perforations du cylindre 24 sont de préférence disposées symétriquement et réparties à distances égalez, bien que, comme pour la dimension des perforations et leur 1'surface totale, cet agencement ne soit pas essentiel au bon fonctionnement de l'ap- pareil. Les perforations représentées sont rondes, mais d'autres formes peuvent être utilisées. Par exemple, les perforations peu-
<Desc/Clms Page number 11>
EMI11.1
vent être des fentes longitudinales. Dans les cas oa l'Stppareil est utilise pour traiter un mélange de sa% eu pour séparer des iso topes d'uranium, le cylindre S4 peut être fait en une matière
EMI11.2
perméable, par exemple du Métal fritte.
EMI11.3
Plusieurs exemples d'appareils qui 6&t été construit et soumis à des essais suivant l'invention illustrent 16 onfâotére
EMI11.4
non critique des dimensions et du nombre des perforations utilisées.
EMI11.5
Dans chacun des exemples, La surface de chaque perforat4"st dîne à plusieurs fois la section transversale mezzo des plus grôi#
EMI11.6
particules dans le fluide traite. Des séparations satisfaisante! ont été exécutées avec des diamètres de perforations Variant de
EMI11.7
z,/8 pouce à 1/64 pouce (3 mm à 0,4 sa) On n#â constaté que fies
EMI11.8
variations mineures de l'efficience de la séparation lorsqu'on
EMI11.9
utilise des perforations de 1/16 pouce (1,$ am) et que le nombre
EMI11.10
des perforations varie d'un minimum d'environ 8 par pouce carre
EMI11.11
(6,45 cm2) à un maximum d'environ 80 par pouce carre, Dans un modèle d'essai particulier, le cylindre perforé a 5 1/2 pouces (140 fa) de longueur et un diamètre extérieur de l,3 pause (38 ma) offrant une surface effective de 26 pouces carrés (lé6 ea).
On ne constata
EMI11.12
aucune variation appréciable d'efficience lorsque le cylindre est
EMI11.13
perce de 200 trous ou de 1580 trous. Cependant, lorsque le noabro
EMI11.14
total de perforations du cylindre est porté à 3300, l'officine da
EMI11.15
séparation de l'appareil tombe de 96 à 86% environ. Sans un aedele industriel particulier de l'appareil pour le traitement des t eo do forage, un fonctionnement très efficient est obtenu avec un eylindrw ayant des perforations d'un diamètre de 5/8 pouce (1$ mm).
D'au très exemples de l'effet du nombre des perforations sur Ibetttetente de
EMI11.16
séparation exécutés sur un modèle de laboratoire sont donnes par
EMI11.17
les courbes de la Fis* 4o L'examen de la Fit. 4 montre que 1'appa. reil fonctionne à une efficience d'environ 98% mèce lorsque le nombre de perforations par pouce carré varie de 6.5) (courbe ld) à z.,6 (courbe 1J), l'efficience se réduisant à environ 86% lorsque le nombre de perforations est porté à 130 par pouce carré (court 1), i1
<Desc/Clms Page number 12>
La 'il. 4 contre aussi graphiquement l'effet sur l'efficience de la séparation des particules causé par la vitesse de rotation N du cylindre, la viscosité de l'effluent u et le débit de l'effluent Q.
On voit donc que les considérations essentielles en de qui concerne le cylindre 24 sont que ce cylindre puisse être mis en rotation de façon à créer laotien centrifuge désirée et à for- mer l'enceinte cylindrique nécessaire et que le cylindre soit perce de trous suffisamment grands pour éviter leur colmatage par les plus grosses particules du fluide traité.
Le fonctionnement de l'appareil sera décrit au point de vue de son application au traitement de boues de forage. utilisées pour le forage des puits de pétrole* Ce bouée de forage peuvent comprendre plusieurs ingrédient., notamment de l'eau cotante véhicule et de la barytine pour augmenter le poids spécifique du liquide.
La boue de forage circulant dans le puits emprunte différentes matières -au sol, matières détachées par le trépan.. et entraîne ces matières à la surface* 'Comme la boue de forage est généralement coûteuse, il est désirable de la traiter et d'en conserver une partie aussi grande que possible pour tire réutilisée dans le puits, Les parti- cules ou débris détachés par le trépan varient d'agglomérés assez gros à de petites particules telles que des argiles de différents types. Ces argiles peuvent avoir des granulométries inférieures à 1 micron.
Pratiquement, toute la barytine normalement utilisée pour augmenter le poids du liquide a généralement une granulométrie supérieure à 1 micron, Il est désirable que les particules d'argile de la boue de forage soient éliminées et en même temps, il est prêta. râblé qu'une quantité assi grande que possible de la barytine soit retenu* vu son prix de revient élevé* Le résultat souhaité d'un procédé de traitement d'une boue de forage est donc de retenir la barytine et d'éliminer autant que possible de particules d'argile.
Lorsque la boue de forage arrive à la surface après avoir circule dans le puits, elle passe sur des tamis pour éliminer les grosses particules arrachées au sol. après ce tamisage, le liquide
<Desc/Clms Page number 13>
est introduit dans l'appareil de l'invention par la conduite 12.
Lorsque la chambre 11 est remplie du liquide de forage, on fait tourner le cylindre perforé 24. Le cylindre perforé tourne à une vitesse déterminée et le courant d'effluent de la chambre 11 dans le passage 34 do l'arbre 30 est réglé au débit désiré par la vanne 42. Le courant inférieur s'écoule de la chambre 11 par la conduite 14. Le cylindre perforé tournant communique une force centrifuge à la partie du liquide de forage voisine de la surface externe de la . paroi du cylindre. L'action centrifuge établie par rotation du cy- lindre perforé ainsi que le courant de liquide dans le cylindre perforé communiquent des forces radiales opposées aux particules en suspension dans la boue de forage.
L'action centrifuge tend à chasser les particules vers l'extérieur à l'écart de la surface du cylindre perforé rotatif, tandis que le courant de liquide vers l'intérieur à travers les perforations 25 tend à amener les parti- cules à l'intérieur à travers le cylindre perforé et vers son cen- tre.
La force radiale nette agissant sur ces particules au-dessus d'une granulométrie et d'une densité déterminées s'exerce en les écartant de la surface externe du cylindre et ces particules restent donc dans la chambre 11 et sont finalement extraites de la chambre par la conduite 14 comme constituant du courut inférieure La plus grande partie des particules d'argile en suspension dans le liquide, par suite de leur faibles granulome trie et densité, sont entraînées avec le liquide par les perforations 25 dans le cylindre 24 et sortent de l'appareil comme partie de l'effluent.
Bien qu'une fai- ble proportion de barytine se trouvant dans la gamme de granulome- trie des particules d'argile soit extraite de l'appareil avec les argiles en suspension, on a trouvé que des efficiences supérieures à 95% environ peuvent être obtenues avec l'appareil, de telle sorte que 95% ou plus de la barytine peuvent être efficacement retenus dans le liquide de forage et sortir de l'appareil avec le courant inférieur par la conduite 14.
Bien entendu, pour élixiner les particules d'argile indésirables, une partie du véhicule doit être retirée de la chambre
<Desc/Clms Page number 14>
11 par le cylindre perforé 24. La viscosité du courant inférieur de la boue de forage est donc -augmentée. Pour éviter que la viscosité du liquide contenant la barytine retenue devienne trop élevée, on peut ajouter de l'eau à la boue de forage avant son introduction dans l'appareil. Une quantité égale à la quantité d'effluent enle- vée avedc les particules d'argile par la conduite 34 donne de bons résultats. On verra également qu'au lieu d'ajouter de l'eau avant d'introduire la boue de forage dans l'appareil, la viscosité du courant inférieur peut être réduite en ajoutant de l'eau après avoir introduit le liquide de forage.
Bien que le but principal du procédé et de l'appareil de l'invention soit la séparation des particules, l'appareil peut aussi être utilisé pour réduire la viscosité, les fluides étant éli- minés afin de réduire la viscosité du liquide sortant de l'appareil par la conduite 34 sous la forme d'effluent comme décrit plus haut.
Il apparaîtra au spécialiste que différente facteurs tant au point de vue conception que fonctionnement de l'appareil affectent le volume de matière qui peut être traité par l'appareil et affectent estiment le processus de la séparation des particules qui peut être effectuée par l'appareil. Ces facteurs variables de conception et de fonctionnement et leur rapport mutuel seront expliqués dans la suite.
La conception d'un appareil de séparation de particules, suivant l'invention, doit être évidemment basée sur des facteurs qui comprennent la composition de la matière à traiter, le résultat final désiré du traitement de séparation et les conditions désirées de fonctionnement de l'appareil particulier. L'exemple qui suit sert à illustrer la technique utilisée pour concevoir un appareil de séparation destiné à traiter une boue de forage particulière, afin d'obtenir un degré désiré de séparation des particules.
Les hypothèses et les déterminations suivantes ont été effectuées sur la boue de torage à traiter et la granulométrie des particules que l'on désire séparer.
<Desc/Clms Page number 15>
1. La densité de la bout de forage est de 17 livrée par gallon (2 kg/1),
2. La composition de la boue de forage déterminée par l'analyse ou sur la base de la connaissance de la matière à partir de laquelle elle été préparée, est : a. 8,4 pour-cent en volume de matières solides légères (comprend des Argiles entraînées au cours du forage) b. 27,5 pour-cent en volume de barytine (pour augmenter le poids). c. 64,1 pour-cent en volume d'eau.
3. L'appareil est destiné à séparer les particules de barytine, de façon que 5 pour-cent seulement de ces particules soient présentes dans l'effluent. Comme une partie des particules de barytine a nécessairement la même granulométrie que les particu- les d'argile à séparer de la barytine, une séparation complète des particules d'argile sans éliminer une faible proportion des parti- cules de barytine n'est pas réalisable en pratique. L'analyse des particules de barytine dans le liquide de forage indique que celles qui ont une granulométrie jusqu'à 1,4 micron représentent pour- cent du total de la barytine dans le liquide. La granulométrie de La barytine restante est supérieure à 1,4 micron.
Les particules de barytine dont les dimensions sont inférieures à 1,4 micron passeront donc dans l'effluent avec les argiles séparées,
4.- La séparation désirée des particules d'argile indési- rables dans les 5 pour-cent de particules de barytine est obtenue avec un courant d'effluent d'environ 10 gallons (38 1) par minute.
Ce débit correspond au volume de liquide de forage qui doit normale- ment être traité au cours d'un forage moyen,
5.- La viscosité du courant d'effluent qui comprend prin- cipalement des matières solides légères y compris les particules d'argile, les 5 pour-cent de barytine et l'eau, est évaluée à 10 centriposes, La viscosité de la boue de forage à traiter, c'est-à- dire sa viscosité avant l'introduction dans l'appareil est de 40
<Desc/Clms Page number 16>
centipoises.
6. La fraction de matière solide légère de la bout de forage, c'est-à-dire la partie contenant la plus grande quantité des particules d'argile entraînée et qui sort de l'appareil sous la forme d'un affluent, comprend une partie de l'effluent parce que celui-ci n'est pas repoussé par la force centrifuge du cylindre rotatif. La composition de l'ensemble formé par l'effluent et le courant inférieur, ce dernier courant étant celui qui entraîne 96 pour-cent de la barytine qui est conservée pour être réutilisée, est la suivante a; Effluent 0,0840 partie de matière solide légère
0,6410 partie d'eau 0,0138 partie de barytine 0,7388 (total) b. Courant inférieur 0,2612 partie de barytine.
La séparation complète des ingrédients de la boue de forage ci-dessus entraînerait le passage de toute l'eau par le cylindre 24 et sa sortie de l'appareil sous la forme d'effluent et par conséquent, laisserait les 95 pour-cent de barytine qui sont à conserver sous la forme d'une masse solide dans la chambre lit Bien entendu, ceci n'est pas désirable, puisqu'il n'y aurait pas moyen de faire sortir la masse solide de barytine de la chambre, sinon en la rinçant à l'aide d'un liquide. Par conséquent, on intro- duit une quantité supplémentaire d'eau ou de boue de forage dans la chambre, en excès par rapport à la quantité qui a été calculée comme la quantité d'effluent désirable pour obtenir la séparation souhaitée.
Cette eau ou cette boue de forage supplémentaire ne sert que de véhicule pour la barytine retenue dans la chambre 11, afin de lui permettre de sortir de la chambre par la conduite 14.
La conception et le fonctionnement de l'appareil sont basés sur les caractéristiques et la quantité d'effluent, il n'est donc pas
<Desc/Clms Page number 17>
nécessaire de faire intervenir dans les calculs cette quantité d'eau ou cette boue de forage supplémentaires.
Si la quantité de liquide sortit sous la tome d'effluent est de 10 gallons (38 1) par Minute, et que la composi.
EMI17.1
tion de la boue de forage est corne au paragraphe 6 ci-dosousp la quantité de liquide de forage réellement traitée par l'appareil est de ' m 13#55 gallone/mlno (52 1/isint)o Par conséquent, ad cours de chaque minute de fonctionnement de 1 appareil, 96 pour-cent
EMI17.2
de la barytine sont retenus par traitement de 13055 gallons (52,1) de boue de forage.
Le rapport entre les différents paramètres de conception ! est exprimé par la formula, où débit d'effluent,
EMI17.3
R m rayon du cylindre perfore 24# L = longueur de la partie perforée du cylindre 24 mvitesse angulaire du cylindre perfore &4 en raison par seconde$ ÂP a différence de densité entre la barytine et 10*ttlumtp du * dimension aaxîtium des particules à séparer obest-â. dire, dimension maximum des partioes sortant avec l'effluent, et /un viscosité de l'effluent.
Les valeurs des paramètres de conception basées sur les conditions supposées de la boue de forage traitée et le résultat final désiré sont les suivants s
EMI17.4
= 10 gallons/minute a 63 cm3/acc AP a 4,3 (densité de barytine) - 1,2 (densité calculée de l'effluent) a 3,1 p/ca3 Cb pu a 10 centigoi3es m Opl poise dit e 1,4 micron * 1,4 x l0' ça).
En introduisant ces valeurs dans l'équation 1 et en résolvant poux*
<Desc/Clms Page number 18>
EMI18.1
le groupe RLW2, on trouve iz, w * ..'." . ,.....t3........ * z, 9 x 109 .".,APdK 3#14 x 301 x (1,4)" x 10 Une vitesse de rotation du cylindre perfore 24 est arbi- tl'a1reJltnt choisie. En supposant cette vitesse de rotation égale à 3600 tours/minute, la vitesse de rotation du cylindre en radions par seconde est déterminée de la manière suivante :
EMI18.2
22-$p& - a 6e- -- - w--- 376 radians/3000 Le groupe Rol, donc doit avoir la valeur R2x. m 1,21 z "1 2,11 :le 104 ca3.
(376)" En prenant L égal à 36 pouces a 91<5 on, le rayon du cylindre perforé est déterminé par l'équation R2 ..&.Jtl . 231 cas Donc, h a 1502 am * 5)98 pouces.
Suivant ces calculs, un séparateur construit suivant l'invention pour effectuer la séparation des particules désirées avec une boue de forage de la composition indiquée présente les ca- ractéristiques suivantes :
1. Longueur du cylindre * 36 pouces (91,5 et)
2. Diamètre du cylindre * 11,96 pouces (30,4 en)
3. Vitesse du cylindre * 3600 tours/minute
EMI18.3
4. Capacité a 13$55 gallons (52 1) par minus te de boue de forage à 17 li- vres/gallon (2 kg/1) avec ré- cupération de 95 pour-cent de la barytine.
Ces considérations sont applicables aux deux formes de l'Appareil illustrées par les dessins. Le choix de la forme à
EMI18.4
utiliser, c'est-à-dire l'utilisation ou la non-utilisation des cloisons 33 divisant l'espace annulaire du cylindre 24 en au moins
<Desc/Clms Page number 19>
EMI19.1
deux ou plusieurs compartiments est détenúnée par la pression dans la chambre 11 qui peut être admise par les matières utilisées et les joints utilisés Si les deux tomes de l'appareil conviennent
EMI19.2
égaleaent pour assurer la séparation des particules à un degré d'efficience élevée on a déterminé que la tome représentée aux Fige* 1 et 2 peut fonctionner dans une large Came de
débit! tans affecter sensiblement la pression du fluide dans l'appareil En d'autres mots, la forme utilisant les cloisons dans le cylindre ro- tatit n'est pas sensiblement affectée au point de vue pression par
EMI19.3
l'augmentation du débit dans l'appareil, D'autre part, la Cusaw qui n'utilise pas les cloisons est sensibleaent affectée lorsque le débit dans l'appareil augmente. e tableau t1-&plt. illustra cette particularité
EMI19.4
Pression d4au Pr"lion dms
EMI19.5
<tb> l'appareil <SEP> l'appareil
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rotor <SEP> avec <SEP> Rotor <SEP> sans
<tb>
EMI19.6
.Q1gi8Q$'t, - lÛl!Dft 1 1- Débit zéro (calculé 112 11 'freI/pou.;
112 lirta/pouct2 5 gallons/minute 114 livroi/f=oo2 .2 11tt'r..Zpcuo 10 gallons/Minute 128 11.,r'll.poa 311 11".Jy.pu¯oea 15 gallons/minute 140 livres/pouci2 410 livï'M/p<mc$2 On a trouvé également qu'avec l'accroissement de pression qui prop vient d'une augmentation de débit dans l'appareil représenté 4 la
EMI19.7
Fige 30 11 faut plus de force motrice pour faire fonctionner itappa, roll* Bien qu'à de faibles débite, ces distinctions ne nient pas important4si il est évident que dans le cas d'appareil construits suivant l'invention pour traiter des quantité 1JIpOl'taAttll de liqui- des, il est préférable que la pression intérieure soit maintenue à une valeur peu élevée et par conséquent la forme représentée aux Fige* 1 et 2,
c'est-à-dire celle qui utilise les cloison dans le cylindre rotatif doit être préférées
Bien que le procédé et l'appareil de l'invention aient
EMI19.8
été décrits principalement du point de vue de leur application a la séparation d'un liquide et de deux matières solides différentes, c'est-à-dire un liquide en mélange avec des matières solide de densité et de granulométrie différentes, il est bien entendu que
<Desc/Clms Page number 20>
de nombreuses autres matières peuvent être ainsi traitées.
Comme on l'a indiqué plus haut, des gaz de densités différentes peuvent être séparés suivant leur poids moléculaire et des isotopes, tels que l'uranium-235 et l'uranium-239 peuvent être séparés suivant leur poids atomique* Les séparations peuvent être également effec- tuées entre un liquide et une matière solide unique, deux liquides immiscibles de densité différente et un solide, deux liquides immiscibles de densités différentes et un gaz plus un solide.
Par exemple, une séparation très efficace peut être effectuée entre de l'eau et de l'huile qui ont été émulsionnées. Il est donc bien entendu que le terme "fluide" peut désigner l'état liquide ou l'état gazeux. Le terme "particule" utilisé dans la description désigne non seulement les parties de matières solides traitées mais également les molécules de gaz, les isotopes et les gouttelettes de liquide dans la phase non continue d'une émulsion de deux liquides immisci- blés.
<Desc / Clms Page number 1>
Method and Apparatus for Particle Separation The present invention relates to particle separation. More particularly, it relates to a method and apparatus for the selective separation of particles on the basis of their size and density.
Different methods and apparatus have been used to solve the prohibitions of the separation of particles having different characteristics. Both the separation of the particles from one another and the separation of the particles from fluids which can serve as vehicles for them are considered here. Examples of processes to which the invention is applicable are the treatment of gases, the treatment of fluids containing different solids which must be separated according to the characteristics of the particles such as their size and density, and the separation of isotopes of. uranium.
Gases may contain
<Desc / Clms Page number 2>
in suspension different liquid and solid particles which must be separated from each other and separated from the gases in which they are suspended. A gas mixture can be separated according to the molecular weights of the different particles which each constitute the gases constituting the mixture. In the field of isotope separation, one may wish to separate uranium 235 from uranium 238.
A particularly important problem in the petroleum industry is the treatment of drill plugs which involves the handling of large quantities of liquids containing particles of solid matter which must be retained in the circuit of drilling muds and particles of solid matter which. are entrained by the liquid during drilling and must be removed. The solids content () of a drilling mud must be carefully controlled for the liquid to perform well while drilling. The control of viscosity and weight are conditions that come into play in the preparation and handling of drilling muds. The liquid should be charged with a relatively high density powder material, such as barite.
The viscosity of the drilling fluid is adjusted to a value corresponding to the requirements of reduced energy consumption for pumping and the required degree of desired stabilization of the drilling. As the drilling mud circulates through the well, finely divided rock debris accumulates in the liquid, and the viscosity of this liquid often increases to the point of making it impompable. It is therefore necessary to remove some of the finely divided debris and restore the desired viscosity of the liquid. Not only must the accumulated debris be separated from the materials used to increase the weight of the liquid, it must also be separated from the liquids to be recirculated into the well.
The viscosity can be reduced by adding a suspending agent, but in a closed circuit one must then withdraw an amount of liquid equivalent to that which is added. If we don't
<Desc / Clms Page number 3>
No recourse to methods and apparatuses Removing to separate unwanted debris from that which must be kept in the liquida the removal of liquids in quantities equal to the liquids added in order to reduce the viscosity causes the loss of expensive materials which significantly increases the cost of drilling .
A commonly used apparatus for separating solid particles from liquids is the centrifuge. In operation, centrifuges normally rotate the entire mass of material being processed, which of course requires a large driving force. On the other hand, the rotation of the entire mass of treated material causes a concentration of material in the form of sludge on the inner walls of the centrifuge tank. Due to certain peculiar characteristics of some drilling muds, it is difficult to use a centrifuge to perform the separation of liquid and solids.
Drilling muds containing solids are constructed in such a way that they have a tendency to gel or freeze under standing conditions. These types of drilling muds, when processed in a centrifuge where the entire mass reaches the angular velocity of the rotating parts of the centrifuge, tend to gel and assume a consistency which prevents the desired migration of the particles to be separated. .
It is an object of the invention to provide a method and an apparatus for ensuring the separation of particles according to their size and density. Another object of the invention is to provide? a process and apparatus for ensuring the separation of particles in which it is not necessary to subject the entire mass of material to centrifugal action. These and other objects of the invention will become apparent from the detailed description given below, with reference to the accompanying drawings.
It has been found that by subjecting a cup of liquid to the described type of centrifugal action along a substantially cylindrical enclosure and applying a pressure difference of one side.
<Desc / Clms Page number 4>
to the other of this enclosure so that the liquid passes through the enclosure. te and passes towards the center of it against the centrifugal action, we create a state in which we obtain the separation of the particles according to their weight and their granuloma * sorts * In the area along the cylindrical enclosure is established a relatively thin fila where there is a laminar flow.
In the between the thin film and the inner wall of the container in which the separation takes place, that is to say in the space located radially outwardly of the thin film along the cylindrical enclosure, a state of high turbulence prevails. These conditions are different from the conditions prevailing in a conventional centrifuge or the entire mass. of material to be treated is entrained in a rotational movement and where no turbulence occurs.
In the present invention, a centrifugal force is applied to the particles entrained in a rotational motion in the thin film adjacent to the cylindrical enclosure and, therefore, these particles tend to move away from the enclosure towards the interior. outside. Simultaneously, a force tending to bring the particles closer to the enclosure and to cause them to pass through it is imposed by the liquid which passes through the enclosure and flows towards the center of the latter, as a result of the pressure difference in the liquid on either side of the enclosure.
The net radial velocity of the particles is the difference between the velocity due to the radial component of the force imparted to the particles by the centrifugal action and the velocity due to the radial force applied to the particles as a result of the flow of liquid passing through l 'in ... girdle and passes towards the center of it. If the speed of the particles due to the flow of liquid is greater, the particles pass through the enclosure and pass towards the center thereof. If the speed of the particles due to the centrifugal action is the greatest, the particles move away from the enclosure.
The speed of the particles crossing the enclosure and passing towards the center of the latter depends only on the speed of the liquid which crosses the enclosure and passes towards the center of the latter, while,
<Desc / Clms Page number 5>
on the other hand, the radial velocity of the particles under the effect of centrifugal force depends on the equivalent sedimentation diameter and the density of the particles.
By subjecting a part of the liquid to a determined degree of centrifugal action, the particles whose density and particle size exceed a determined value are driven at a radial speed greater than the flow speed of the liquid passing through the enclosure towards the center of the latter and, consequently, these particles remain outside the enclosure while the remaining particles, less than the determined density and particle size, cross the enclosure and pass through the center of it because their velocity due to the liquid stream is greater than their radial velocity due to centrifugal action.
According to the invention, particles are separated according to their size and density. The liquid 1 to be treated is introduced into a sealed chamber or container. Part of the liquid in the chamber is subjected to centrifugal action in the chamber. a measure determined according to the desired separation * The centrifugal action is applied to a part of the liquid along an essentially circular enclosure * At the same time,
the liquid is subjected to a pressure difference from one side to the other of this circular chamber in order to ensure a current of liquid passing through the chamber towards the center thereof. The part of the liquid which crosses the enclosure towards the center of the latter and which exits Called hereinafter the * effluent% is withdrawn from the container following a path going from the inside of the enclosure to the outside of the container * The remainder of the liquid inside the container and which will be called hereafter the "lower stream * comprises the particles which have not passed through the enclosure and is withdrawn from the container The degree of separation of the particles
depending on the particle size and density * can be adjusted by varying certain factors, including the amount of liquid passing through the cylindrical limit and the amount of centrifugal action used *
In the accompanying drawings:
<Desc / Clms Page number 6>
Fig 1 is a longitudinal section of one form of the apparatus;
Fig. 2 is a section taken on line 2-2 of Fig.1; Fig 3 is a section similar to Fig. 2 of another volume of the invention;
Fig. 4, which relates to a particular embodiment of an apparatus constructed according to the invention, shows a family of curves illustrating the effect of different ratios between the perforated area of the cylinder and the total area of the cylinder on the proportion in favor. -centric separation of the particles under different conditions of speed of rotation of the cylinder, viscosity and quantity of effluent separated in the apparatus.
In Fig. 1, a container or body 10 comprises an inner chamber 11 which is sealed at one end and at the other end by a one-piece bottom with the actual spin. Obviously, both ends of chamber 11 may be closed with leak-proof removable lids * Although the container and chamber shown are essentially cylindrical, they may have other desired shapes because not all of the fluid and solids processed in the chamber should wind not be subjected at the same time to the centrifugal action.
The material treated by the process of the invention is introduced into the chamber 11 through a pipe 12 which is connected to the container near one of its ends. Line 12 is provided with a valve 13 to regulate the introduction of the material to be treated. The part of the material flowing in the apparatus and which has been called the lower stream above, exits the chamber 11 through a pipe 14 provided with a regulating valve 15. For efficient operation of the apparatus, the pipe 14 opens into the container 10 at the end of the container opposite to the inlet pipe 12.
The exact points of connection of the conduits 12 and 14 in the container 10 are not critical, provided that the material being treated cannot tend to bypass the part of the apparatus which assists.
<Desc / Clms Page number 7>
on the desired separation of the particles,
The cover and the bearing bracket 20 are secured to the vessel 10 by several bolts 21. A fluid tight seal is established between the vessel and the cover 20 by an O-ring 22 placed in the groove 23 in the end. of the container 10 to which the cover is attached.
The end of the container 10 opposite to that to which the cover 20 is attached may also be provided with a removable seal, not shown, instead of the bottom of a room, shown.
In the chamber 11 there is a hollow rotating cylinder 24 pierced with a series of perforations 25 almost over its entire surface. Cylinder 24 is mounted in the chamber on a rotating hollow shaft 30 by unperforated ends 31 and 32. Between cylinder 24 and shaft 30 are solid partitions 33 which extend radially from the outer surface of the cylinder. the shaft 30 up to the inner surface of the cylinder 24 and longitudinally in the direction of the length of the shaft and the cylinder between the ends 31 and 32.
The partitions 33 serve to divide the annular space around the shaft 30 in the cylinder 24 into a series of separate compartments * In the particular form of the apparatus illustrated in Figs. 1 and 2, three partitions are used, dividing the annular space into three compartments but it is understood that the invention is not limited to an apparatus using three partitions. The form of apparatus illustrated in Figs. 1 and 2, can use any number of partitions 33 from a minimum of two, in which case the annulus is divided into two compartments.
Over the entire length, the hollow shaft 30 has a conduit or a bore 34. The hollow shaft 30 is also drilled along the part of its length extending between the elements 31 and 32 of a series of openings 35 passing through. through the shaft between the bore 34 and each of the compartments in the annular space defined by the partitions 33 to allow fluid to pass from each of the compartments of the annular space into the bore of the shaft.
In the variant of the apparatus shown in FIG. 3,
<Desc / Clms Page number 8>
the partitions 33 are omitted, thus leaving a continuous annular space around the shaft 30 in the cylinder 24, between the bottoms 31 and 32. This particular form of the invention can be used when the apparatus is operated under more exposed conditions. far. Apart from the partitions 33, the shape of the invention shown in fig 3 is identical to that of Figs. 1 and 2.
The cylinder 24 constitutes the cylindrical enclosure mentioned above and communicates a centrifugal action to the part of the material which immediately surrounds it. The liquid flowing through the perforations 25 with the particles, the net radial velocity of which is directed towards the center of the cylinder, constitutes the effluent which flows from the outer part of the cylinder into the interior of the cylinder. The effluent passes from the interior of the cylinder through openings 35 into bore 34 from where it is withdrawn from the apparatus.
At the upper end of the shaft 30, there is a rotary joint 40 connected to a fixed pipe 41 provided with a valve 42 for adjusting the flow rate in the pipe. Rotary seal 40 can be any form of fluid-tight coupling ** which allows shaft 30 to rotate at high speed as fluid passes through shaft and rotary seal in line 41. The shaft 30 is supported, so as to rotate inside the cover 20, in bearings 43, 44 which are now square by an inner sleeve 45.
The bearings shown are of the ball bearing type, although other types of bearings allow high speed rotation of the shaft can be used * Around the shaft and inside the carrier 51, a Series of seals 50 prevent leakage from the interior of chamber 11 around the outer surface of shaft 30. Drain holes 51 pass through cover 20 above seals 50 so as to allow liquid that would have leaked around the seals to exit the device without coming into contact with the bearings. A motor, not shown, is connected by a belt 52 to a pulley 53 wedged on the shaft 30, so as to rotate the latter.
The motor can be connected to the shaft by other forms of mechanical drive, for example
<Desc / Clms Page number 9>
disengaging.
81 the processing conditions make it desirable from a mechanical construction point of view, the shaft 30 can be extended through the end of the container 10 adjacent to the pipe 12 in order to obtain an additional bearing for the shaft and the cylinder 24 that it wears * In this case, of course, gaskets and pa- liera appropriate! must be provided for this extracted from the container.
In such an arrangement the internal bore 34 would not necessarily tighten in this part of the shaft since this extension of the shaft would simply serve to increase the mechanical rigidity of the assembly 1). Such an arrangement would simply ensure the support of the shaft 30. at both ends and would in no way affect the fundamental principles of operation of the apparatus of the invention.
Although the apparatus is shown in a vertical position, it is clear that it can also operate in a horizontal position or in an inverted position with respect to the position shown.
The form of the invention illustrated in line 3 can be further modified by removing the portion of shaft 30 extending inside cylinder 24 between ends 31 and 32 and making bottom 32 of a part with cylinder. In this variation cylinder 24 is simply attached at its upper end to the lower end of shaft 30. Liquids and separated solids flow into the cylinder as described above and can be removed from the cylinder. cylinder at the top end of that. ci and then pass through bore 34. However, the efficiency of the operation is slightly lower with an apparatus constructed in this way.
The number and dimensions of the perforations 35 in the shaft 30 are not critical. They need only be large enough to allow the quantity of liquid to pass through the cylinder and of a diameter sufficient to allow the larger particles flowing in the cylinder to exit through line 34.
<Desc / Clms Page number 10>
The apparatus is not particularly sensitive to the size or number of perforations in cylinder 24. The only critical conditions for these perforations are that their total surface area must be sufficient to handle the maximum volume of material required to pass through. cylinder during operation and that each perforation is large enough so that it cannot be obstructed by the larger solid particles of the mixture being treated.
In order to satisfy this condition, each of the perforations * preferably has an area several times greater than the cross section of the larger particles which may flow into the chamber, in order to prevent several particles together plugging the perforation and clogging it * It is possible that each of these perforations is several times larger than the larger particles of the material being processed because the separation process carried out with this apparatus is not dependent on filtering action or classification by the perforations. of the cylinder. If the perforations were small enough so that they could be plugged by either particle of the treated mixture, the apparatus could be out of use by plugging due to these particles.
Preferably, the total area of the perforations represents about 5 to 50% of the total area of cylinder 24 excluding the bottoms of the cylinder. However, the Applicant does not wish to limit the ratio between the perforated surface and the total surface of the cylinder to this precise range because experiments have shown that the apparatus can operate in an even wider range, although it it is probable that the operating efficiency is slightly reduced for gears above and below this range.
The perforations in cylinder 24 are preferably symmetrically arranged and evenly spaced, although, as with the size of the perforations and their total area, this arrangement is not essential to the proper functioning of the apparatus. The perforations shown are round, but other shapes can be used. For example, perforations can
<Desc / Clms Page number 11>
EMI11.1
wind to be longitudinal slits. In cases where the apparatus is used to process a mixture of its% eu to separate isotopes of uranium, cylinder S4 can be made of a material
EMI11.2
permeable, for example sintered metal.
EMI11.3
Several examples of apparatus which have been constructed and tested according to the invention illustrate 16 onfâotére
EMI11.4
not critical of the dimensions and number of perforations used.
EMI11.5
In each of the examples, the surface of each perforat4 "is several times the cross section of the most grôi #
EMI11.6
particles in the fluid being treated. Satisfying separations! were executed with perforation diameters varying from
EMI11.7
z, / 8 inch to 1/64 inch (3 mm to 0.4 sa) It was not found that
EMI11.8
minor variations in separation efficiency when
EMI11.9
uses 1/16 inch perforations ($ 1.00) and the number
EMI11.10
perforations vary from a minimum of about 8 per square inch
EMI11.11
(6.45 cm2) to a maximum of about 80 per square inch. In a particular test pattern, the perforated cylinder was 5 1/2 inches (140 fa) in length and an outside diameter of 1.3 break ( 38 ma) providing an effective area of 26 square inches (le6 ea).
We did not notice
EMI11.12
no appreciable variation in efficiency when the cylinder is
EMI11.13
drills 200 holes or 1580 holes. However, when the noabro
EMI11.14
total number of cylinder perforations is increased to 3300, the dispensary
EMI11.15
separation of the device drops from about 96% to 86%. Without a special industrial scale of the apparatus for the treatment of drilling rigs, very efficient operation is obtained with a cylinder having 5/8 inch (1 $ mm) diameter perforations.
To very examples of the effect of the number of perforations on Ibetttetente of
EMI11.16
separation performed on a laboratory model are given by
EMI11.17
the curves of the Fis * 4o The examination of the Fit. 4 shows that appa. reil operates at about 98% efficiency when the number of holes per square inch varies from 6.5) (curve ld) to z., 6 (curve 1J), the efficiency decreasing to about 86% when the number of perforations is increased to 130 per square inch (short 1), i1
<Desc / Clms Page number 12>
The 'he. 4 also graphically counter the effect on the efficiency of particle separation caused by the speed of rotation N of the cylinder, the viscosity of the effluent u and the flow rate of the effluent Q.
It can therefore be seen that the essential considerations with regard to cylinder 24 are that this cylinder can be rotated so as to create the desired centrifuge and to form the necessary cylindrical enclosure and that the cylinder be drilled with sufficiently large holes. to prevent their clogging by the largest particles of the treated fluid.
The operation of the apparatus will be described from the point of view of its application to the treatment of drilling muds. used for drilling oil wells * This drilling buoy may include several ingredients, including carrier water and barite to increase the specific weight of the liquid.
The drilling mud flowing through the well borrows various materials - soil, material loosened by the bit .. and carries these materials to the surface. As drilling mud is generally expensive, it is desirable to process and remove it. keep as large a portion as possible for re-use in the well. Particles or debris detached by the bit vary from fairly large agglomerates to small particles such as clays of different types. These clays can have particle sizes less than 1 micron.
Virtually all of the barite normally used to increase the weight of the liquid generally has a particle size greater than 1 micron. It is desirable that the clay particles from the drilling mud be removed and at the same time it is ready. ensure that as large a quantity as possible of the barite is retained * due to its high cost price * The desired result of a drilling mud treatment process is therefore to retain barite and remove as much as possible of clay particles.
When the drilling mud comes to the surface after having circulated in the well, it passes through sieves to remove the large particles torn from the ground. after this sieving, the liquid
<Desc / Clms Page number 13>
is introduced into the apparatus of the invention through line 12.
When the chamber 11 is filled with the drilling liquid, the perforated cylinder 24 is rotated. The perforated cylinder rotates at a determined speed and the flow of effluent from the chamber 11 into the passage 34 of the shaft 30 is adjusted to the flow rate. desired by valve 42. The lower stream flows from chamber 11 through line 14. The rotating perforated cylinder imparts centrifugal force to the portion of the drilling fluid adjacent to the outer surface of the. cylinder wall. The centrifugal action established by the rotation of the perforated cylinder together with the flow of liquid in the perforated cylinder impart opposing radial forces to the particles suspended in the drilling mud.
The centrifugal action tends to force the particles outward away from the surface of the rotary perforated cylinder, while the inward flow of liquid through the perforations 25 tends to force the particles out. inside through the perforated cylinder and towards its center.
The net radial force acting on these particles above a determined particle size and density is exerted by moving them away from the outer surface of the cylinder and these particles therefore remain in the chamber 11 and are finally extracted from the chamber by line 14 as a constituent of the lower run Most of the clay particles suspended in the liquid, due to their small size and density granuloma, are entrained with the liquid through the perforations 25 in the cylinder 24 and exit from the apparatus as part of the effluent.
Although a small proportion of barite in the particle size range of the clay particles is removed from the apparatus with the suspended clays, it has been found that efficiencies greater than about 95% can be obtained. with the apparatus, so that 95% or more of the barite can be effectively retained in the drilling fluid and exit the apparatus with the lower stream through line 14.
Of course, to remove unwanted clay particles, part of the vehicle must be removed from the chamber.
<Desc / Clms Page number 14>
11 by the perforated cylinder 24. The viscosity of the lower stream of the drilling mud is therefore increased. To prevent the viscosity of the liquid containing the retained barite from becoming too high, water can be added to the drilling mud before it is introduced into the apparatus. An amount equal to the amount of effluent removed with the clay particles through line 34 gives good results. It will also be seen that instead of adding water before introducing the drilling mud into the apparatus, the viscosity of the lower stream can be reduced by adding water after introducing the drilling liquid.
Although the main object of the method and apparatus of the invention is the separation of particles, the apparatus can also be used to reduce viscosity, with fluids being removed in order to reduce the viscosity of the liquid leaving the liquid. Apparatus via line 34 in the form of effluent as described above.
It will be apparent to those skilled in the art that various factors in both design and operation of the apparatus affect the volume of material which can be processed by the apparatus and affect the process of particle separation which can be carried out by the apparatus. . These variable design and operating factors and their interrelationship will be explained below.
The design of a particle separation apparatus according to the invention should of course be based on factors which include the composition of the material to be treated, the desired end result of the separation treatment and the desired operating conditions of the machine. particular device. The following example serves to illustrate the technique used to design a separation apparatus for treating a particular drilling mud to achieve a desired degree of particle separation.
The following assumptions and determinations were made on the torage sludge to be treated and the particle size distribution of the particles that it is desired to separate.
<Desc / Clms Page number 15>
1. The density of the drill bit is 17 delivered per gallon (2 kg / 1),
2. The composition of the drilling mud determined by analysis or on the basis of knowledge of the material from which it was prepared is: a. 8.4 volume percent light solids (includes clays entrained during drilling) b. 27.5 volume percent barite (to increase weight). vs. 64.1 percent by volume of water.
3. The apparatus is intended to separate the particles of barite, so that only 5 percent of these particles are present in the effluent. Since some of the barite particles necessarily have the same particle size as the clay particles to be separated from the barite, complete separation of the clay particles without removing a small proportion of the barite particles is not feasible. in practice. Analysis of barite particles in the drilling fluid indicates that those with a particle size up to 1.4 microns represent percent of the total barite in the liquid. The particle size of the remaining barite is greater than 1.4 microns.
The barite particles whose dimensions are less than 1.4 microns will therefore pass into the effluent with the separated clays,
4. The desired separation of unwanted clay particles in the 5 percent barite particles is achieved with an effluent stream of about 10 gallons (38 L) per minute.
This flow rate corresponds to the volume of drilling liquid which must normally be treated during an average drilling,
5.- The viscosity of the effluent stream which mainly comprises light solids including clay particles, 5 percent barite and water, is evaluated at 10 centriposes. The viscosity of the sludge drilling to be treated, i.e. its viscosity before introduction into the device is 40
<Desc / Clms Page number 16>
centipoise.
6. The fraction of light solid matter of the drill bit, that is to say the part containing the greatest quantity of the particles of clay entrained and which leaves the apparatus in the form of a tributary, comprises part of the effluent because it is not repelled by the centrifugal force of the rotating cylinder. The composition of the assembly formed by the effluent and the lower stream, the latter stream being that which entrains 96 percent of the barite which is kept for reuse, is as follows: a; Effluent 0.0840 part of light solid material
0.6410 part water 0.0138 part barite 0.7388 (total) b. Current lower 0.2612 part of barite.
Complete separation of the ingredients from the above drilling mud would cause all of the water to pass through cylinder 24 and exit the apparatus as effluent and therefore leave the 95 percent barite. which are to be kept in the form of a solid mass in the bed chamber Of course, this is not desirable, since there would be no way of getting the solid mass of barite out of the chamber, except by rinsing with liquid. Therefore, an additional amount of water or drilling mud is introduced into the chamber, in excess of the amount which has been calculated as the amount of effluent desirable to achieve the desired separation.
This water or this additional drilling mud only serves as a vehicle for the barite retained in the chamber 11, in order to allow it to leave the chamber through the pipe 14.
The design and operation of the device is based on the characteristics and amount of effluent, so it is not
<Desc / Clms Page number 17>
necessary to include in the calculations this quantity of water or this additional drilling mud.
If the amount of liquid exiting under the effluent volume is 10 gallons (38 L) per Minute, and the composition is.
EMI17.1
tion of the drilling mud is as in paragraph 6 below the quantity of drilling liquid actually treated by the apparatus is' m 13 # 55 gallone / mlno (52 1 / isint) o Consequently, during each minute of operation of 1 device, 96 percent
EMI17.2
of barite are retained by treating 13,055 gallons (52.1) of drilling mud.
The relationship between the different design parameters! is expressed by the formula, where effluent flow rate,
EMI17.3
R m radius of the perforated cylinder 24 # L = length of the perforated part of the cylinder 24 m angular speed of the perforated cylinder & 4 in proportion per second $ ÂP a density difference between barite and 10 * ttlumtp of * dimension aaxitium of the particles to be separated obest -at. ie, maximum dimension of the partioes leaving with the effluent, and / a viscosity of the effluent.
The values of the design parameters based on the assumed conditions of the treated drilling mud and the desired end result are as follows:
EMI17.4
= 10 gallons / minute at 63 cm3 / acc AP at 4.3 (density of barite) - 1.2 (calculated density of the effluent) at 3.1 p / ca3 Cb pu at 10 centigoi3es m Opl poise dit e 1 , 4 micron * 1.4 x 10 's).
By introducing these values into equation 1 and solving lice *
<Desc / Clms Page number 18>
EMI18.1
group RLW2, we find iz, w * .. '. "., ..... t3 ........ * z, 9 x 109."., APdK 3 # 14 x 301 x (1 , 4) "x 10 A rotational speed of the perforated cylinder 24 is arbitrarily chosen. Assuming this rotational speed equal to 3600 rpm, the rotational speed of the cylinder in radions per second is determined as next :
EMI18.2
22- $ p & - a 6e- - - w --- 376 radians / 3000 The group Rol, therefore must have the value R2x. m 1.21 z "1 2.11: the 104 ca3.
(376) "Taking L equal to 36 inches at 91 <5 ounces, the radius of the perforated cylinder is determined by the equation R2 .. &. Jtl. 231 cases Therefore, h at 1502 am * 5) 98 inches.
According to these calculations, a separator constructed according to the invention to effect the separation of the desired particles with a drilling mud of the indicated composition has the following characteristics:
1. Cylinder length * 36 inches (91.5 and)
2. Cylinder diameter * 11.96 inch (30.4 in)
3. Cylinder speed * 3600 rpm
EMI18.3
4. Capacity at $ 13.55 gallons (52 L) per minute of drilling mud at 17 lbs / gallon (2 kg / L) with 95 percent barite recovery.
These considerations are applicable to both forms of the Apparatus illustrated by the drawings. The choice of the form to
EMI18.4
use, i.e. use or non-use of partitions 33 dividing the annular space of cylinder 24 into at least
<Desc / Clms Page number 19>
EMI19.1
two or more compartments is held by the pressure in the chamber 11 which can be admitted by the materials used and the gaskets used If the two volumes of the apparatus are suitable
EMI19.2
Also to ensure the separation of the particles to a high degree of efficiency it has been determined that the volume shown in Figs * 1 and 2 can operate in a wide Cam of
debit! without appreciably affecting the pressure of the fluid in the apparatus In other words, the shape using the partitions in the rotatit cylinder is not appreciably affected from a pressure point of view by
EMI19.3
the increase of the flow in the device, On the other hand, the Cusaw which does not use the partitions is sensibleaent affected when the flow in the device increases. e table t1- & plt. illustrate this particularity
EMI19.4
Pressure d4au Pr "lion dms
EMI19.5
<tb> the device <SEP> the device
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rotor <SEP> with <SEP> Rotor <SEP> without
<tb>
EMI19.6
.Q1gi8Q $ 't, - lÛl! Dft 1 1- Zero flow (calculated 112 11' freI / pou .;
112 lirta / pouct2 5 gallons / minute 114 livroi / f = oo2 .2 11tt'r..Zpcuo 10 gallons / Minute 128 11., r'll.poa 311 11 ".Jy.pūoea 15 gallons / minute 140 pounds / pouci2 410 livi'M / p <mc $ 2 It has also been found that with the increase in pressure which comes from an increase in flow rate in the apparatus shown 4 the
EMI19.7
Freeze 30 More motive force is needed to operate itappa, roll * Although at low flow rates, these distinctions do not negate the importance4if it is evident that in the case of apparatus constructed according to the invention to treat quantities 1JIpOl ' taAttll of liquids, it is preferable that the internal pressure be kept low and therefore the form shown in Figs * 1 and 2,
i.e. the one that uses the bulkhead in the rotating cylinder should be preferred
Although the method and apparatus of the invention have
EMI19.8
been described mainly from the point of view of their application to the separation of a liquid and two different solids, that is to say a liquid mixed with solids of different density and particle size, it is of course than
<Desc / Clms Page number 20>
many other materials can be processed in this way.
As indicated above, gases of different densities can be separated according to their molecular weight and isotopes, such as uranium-235 and uranium-239 can be separated according to their atomic weight * Separations can be also carried out between a liquid and a single solid, two immiscible liquids of different density and one solid, two immiscible liquids of different densities and a gas plus a solid.
For example, a very efficient separation can be performed between water and oil which have been emulsified. It is therefore understood that the term “fluid” can denote the liquid state or the gaseous state. The term "particle" used in the specification denotes not only the parts of solids treated but also gas molecules, isotopes and liquid droplets in the non-continuous phase of an emulsion of two immiscible liquids.