EP3624952B1 - Distributeur de fluide multiphasique - Google Patents

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EP3624952B1
EP3624952B1 EP18718596.2A EP18718596A EP3624952B1 EP 3624952 B1 EP3624952 B1 EP 3624952B1 EP 18718596 A EP18718596 A EP 18718596A EP 3624952 B1 EP3624952 B1 EP 3624952B1
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EP
European Patent Office
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enclosure
fluid
dispenser according
outlet orifices
inlet orifice
Prior art date
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Active
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EP18718596.2A
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German (de)
English (en)
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EP3624952A1 (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
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Publication date
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Publication of EP3624952B1 publication Critical patent/EP3624952B1/fr
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    • 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 making it possible to divide in equal parts a fluid flow composed of several different phases into several fluid flows having the same flow rate and the same composition. at a longitudinal end of inlet ports and at an opposite longitudinal end of outlet ports is described in the document WO 2010/131958 A1 .
  • a particular field of application of the invention relates to underwater effluent treatment equipment used in the production of hydrocarbons, for example oil and gas, from subsea production wells.
  • the underwater treatment of hydrocarbons from subsea production wells is becoming a real need to make it possible to optimize production, in particular at great depths.
  • underwater gravity separators of the gas / liquid type called multi-pipe separators or condensate traps, which make it possible to optimize protection of wells as well as managing production stoppages and restarting by depressurizing production lines.
  • submarine gravity separators of the liquid / liquid type namely here oil / water
  • Another particular field of application of the invention relates to the equitable distribution of a multiphase hydrocarbon production fluid in the multiple branches of a heat exchanger or in multiple exchangers which operate in parallel, for the purpose of cooling. or to heat this production fluid.
  • 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 dewatering or condensing the gases. light phases of the gas, in order to condition it prior to transport along a pipeline at low temperature.
  • the distributors known from the prior art generally comprise a cylindrical inlet, of a size close to that of the supply pipe, at the bottom of which opens a succession of small orifices arranged axisymmetrically. So that this distribution is insensitive to the flow regime, the distributor is generally arranged vertically, with the inlet at the bottom and the outlet openings at the top, in order to cancel out the effects that gravity could have on the location of the phases. just before the distribution. Furthermore, the feed pipe will advantageously be positioned vertically and of a length greater than ten times its diameter so that the multiphase flow presents an axisymmetric facies (at least on average over a period of a few seconds), a guarantee of fairness. of distribution.
  • these dispensers may have certain limitations.
  • the main aim of the present invention is therefore to provide a multiphase fluid distributor which does not have the aforementioned drawbacks.
  • this object is achieved by means of a multiphase fluid distributor according to claim 1.
  • the multiphase fluid enters the interior of the enclosure 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 internal wall of the enclosure to form a liquid film flowing in a helical gyratory movement, while the gaseous part of the gas / fluid liquid will form a central gas flow flowing longitudinally from bottom to top at the center of the liquid film.
  • the multiphase fluid entering the interior of the enclosure is directed towards the opposite end of the enclosure, so that the particles of the liquid film thus created follow upward helical paths.
  • the liquid film On reaching the opposite end of the enclosure, the liquid film is ejected under the effect of centrifugal force from the enclosure through the outlet orifices.
  • the gaseous phase of the multiphase fluid As for the gaseous phase of the multiphase fluid, it will accumulate in the center of the upper part of the enclosure and will be able to flow through the upper part of the outlet orifices. If the liquid film however occupies the entire section of these orifices, this gaseous phase will see its pressure increase until it escapes periodically through the outlet orifices in passing through the liquid film when its pressure becomes greater than that of the outlet orifices (phenomenon of rapid pulsations).
  • the equidistribution of different phases of the multiphase fluid thus results from the axial symmetry of the distributor and the axial symmetry of the flow within the enclosure. Furthermore, it has been observed that the multiphase fluid is evacuated fairly through the various outlet orifices, provided that the speed of centrifugation of the fluid is sufficient and that the pulsation of the intermittent expulsion of the gas phase of the multiphase fluid takes place. also fairly.
  • a minimum tangential speed of 0.8m / s as well as a minimum axial speed of 0.1m / s for all the combined phases are necessary in the enclosure. These speeds are obtained by the appropriate sizing of the enclosure and its internal elements as a function of the fluid flow rates to be considered. As for the pulsation of the expulsion of the gaseous phase through the liquid film in front of the outlet orifices, this is carried out equitably provided that the pressures prevailing in each of the outlet orifices are substantially balanced.
  • the distributor further comprises fluid guiding means for imparting a helical movement to the fluid flowing inside the enclosure from the inlet port to the outlet ports.
  • the fluid guide means can advantageously comprise a guide ramp having the shape of a helix centered on the longitudinal axis of the enclosure.
  • the guide ramp can be carried by a cylinder centered on the longitudinal axis of the enclosure or by an internal wall of the enclosure.
  • the latter When carried by a cylinder, the latter also advantageously carries a deflector positioned opposite the inlet orifice to help the fluid to take the guide ramp.
  • the inlet orifice advantageously opens inside the enclosure forming an inclined angle in the direction of 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 of the inlet port 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 the latter, said ring being provided with a plurality of fluid passage slots. each positioned opposite an outlet orifice.
  • the enclosure may further include a gas exhaust port centered on the longitudinal axis of the enclosure and located at the longitudinal end of the enclosure. enclosure at which the outlet openings are positioned. This exhaust orifice makes it possible to extract as much gas as possible upstream of the distribution so as to minimize the gas content of the distributed fluid.
  • the enclosure may be formed by the sealed assembly between a box and a cover, the inlet port being formed in the box and the outlet ports being formed in the lid.
  • the fluid guide means are configured to allow the fluid to make two turns around the longitudinal axis of the enclosure from the inlet orifice to the outlet orifices. This characteristic makes it possible to obtain an enclosure of great compactness by reducing the travel distance between the inlet orifice and the outlet orifices.
  • the invention relates to a multiphase fluid distributor fitted to subsea 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 gas phase.
  • the figures 1 to 5 show a distributor 2 according to a first embodiment of the invention.
  • the distributor 2 comprises in particular a cylindrical enclosure 4 of longitudinal axis X-X positioned vertically. At its lower longitudinal end, the enclosure 4 comprises an inlet orifice 6 for the multiphase fluid. At its upper longitudinal end opposite the lower end, the enclosure has a plurality of cylindrical outlet openings 8.
  • the inlet orifice 6 opens inside the enclosure 4, on the one hand in a direction substantially tangential to the latter, and on the other hand by forming an angle ⁇ with an axis transverse YY of the enclosure which is inclined in the direction of the outlet openings 8.
  • This angle ⁇ is preferably between 5 ° and 30 °.
  • the multiphase fluid enters the enclosure of the distributor in its lower part while being driven in an upward 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 multiphase fluid jet against the internal wall of the enclosure and facilitates the rapid formation of a liquid film in helical rotation, pressed against the internal wall.
  • distributor body 4
  • outlet orifices 8 they are on the exemplary 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 all being situated in the same transverse plane P of the enclosure 4.
  • the cross section (of circular shape) of the orifices of outlet is identical for all the outlet orifices 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 outlet orifices.
  • the distribution of the outlet orifices 8 has axial symmetry with respect to the longitudinal axis X-X. It follows that when the liquid pressed against the internal wall of the enclosure and driven in an upward helical movement around the longitudinal axis XX of the enclosure reaches the level of the transverse plane P, it is ejected, under the effect of centrifugal force, in all of the outlet orifices, the flow rate ejected of fluid through 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 motion.
  • the distributor according to the invention further comprises fluid guiding means for imparting a helical movement to the fluid flowing inside the enclosure from the inlet orifice to the outlet orifices.
  • a guide ramp 10 having the shape of a helix centered on the longitudinal axis XX of the enclosure 4 of the distributor is positioned inside the enclosure between the inlet orifice 6 and the orifices output 8.
  • this helix-shaped guide ramp 10 can 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 internal wall of the enclosure.
  • 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 ⁇ formed by the inlet orifice. 6 with this transverse axis.
  • the operation of the distributor 2 follows from the above.
  • the multiphase fluid enters from below into the enclosure 4 of the distributor tangentially thereto and is directed towards the top of the distributor at an angle of between 5 ° and 30 ° with respect to the horizontal.
  • the liquid phase of the multiphase fluid will develop a liquid film pressed against the internal wall of the enclosure, this liquid film, where appropriate, borrowing 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 rise to the top of the enclosure.
  • the liquid film flowing helically around the longitudinal axis XX is ejected under the effect of centrifugal force out of the enclosure into each outlet orifice 8 in being evenly distributed for all outlets.
  • the gaseous phase of the multiphase fluid it will accumulate in the center of the upper part of the enclosure and will be able to 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 the latter, this ring being provided with a plurality of slits of fluid passage 16 which are each positioned opposite 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 materials resistant to erosion, such as ceramic, tungsten carbides, etc. in areas with sharp edges to be protected from erosion that can be induced by high flow velocities and solid particles possibly entrained by the fluid, while retaining for the 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 box 18 and a cover 20, the inlet orifice 6 being formed in the box 18 and the outlet orifices 8 being formed in the cover. This assembly is sealed by means of an annular weld joint 22 between these two elements.
  • the distributor is for example used in an underwater gravity separator of the oil / water type, or a multitube heat exchanger.
  • the enclosure 4 'of the distributor 2' of this second embodiment further comprises a gas exhaust port 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 the outlet openings 8 'are positioned.
  • a buffer zone 26 is arranged within the enclosure 4 'between the outlet orifices 8' and the gas exhaust orifice 24.
  • this distributor 2 ′ The operation of this distributor 2 ′ is as follows.
  • the multiphase fluid enters the enclosure 4 ′ of the distributor tangentially thereto and is directed towards the top of the distributor at an angle of between 5 ° and 30 ° with respect to the horizontal.
  • the liquid phase of the fluid will develop a liquid film pressed against the internal wall of the enclosure, this liquid film, where appropriate, borrowing the guide ramp 10 'to be directed towards the upper part of the chamber.
  • the phase gaseous from the multiphase fluid it will concentrate in the center of the chamber to rise to the top of the chamber.
  • the gas phase of the multiphase fluid As for the gas phase of the multiphase fluid, it will accumulate at the level of the buffer zone 26 in the upper part of the enclosure 4 '. In this buffer zone, the gas will get rid of the last drops of liquid which are entrained radially by centrifugal force and vertically by their own weight to join the liquid film and be evacuated through the outlet orifices 8 '.
  • the gas pressure in this buffer zone exceeds that of the gas exhaust port 24
  • the gaseous phase of the multiphase fluid will be evacuated by the gas exhaust port but also by the outlet ports, provided that the pressure which y reign remains strictly less than that reigning in the outlet orifices 8 '.
  • the cylinder 12, 12 ' which carries the guide ramp 10, 10' also carries a deflector 28 which is positioned opposite the inlet orifice. This deflector helps the fluid to take the guide ramp.

Landscapes

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

Description

    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 exemple de distributeur présentant une enceinte cylindrique munie à une extrémité longitudinale d'orifices d'entrée et à une extrémité longitudinale opposée d'orifices de sortie est décrit dans le document WO 2010/131958 A1 .
  • 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 condensat, 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 selon la revendication 1.
  • 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 0.1m/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.
  • 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 α avec un axe transversal Y-Y de l'enceinte qui est incliné en direction des orifices de sortie 8. Cet angle α 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 α 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 entrainées 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 (11)

  1. Distributeur (2 ; 2') 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 ; 12') 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 ; 6') s'ouvre à l'intérieur de l'enceinte en formant un angle (α) incliné en direction des orifices de sortie (8 ; 8').
  6. Distributeur selon la revendication 5, dans lequel l'orifice d'entrée (6 ; 6') forme un angle (α) 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 (8').
  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 ; 10') 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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