FR3135628A1 - Dispositif de fragmentation d’un liquide cryogénique dans une conduite de gaz. - Google Patents

Dispositif de fragmentation d’un liquide cryogénique dans une conduite de gaz. Download PDF

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Mikael WATTIAU
Bernard Labegorre
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Abstract

Titre : Dispositif de fragmentation d’un liquide cryogénique dans une conduite de gaz. Dispositif de fragmentation d’un jet de liquide cryogénique dans un flux de gaz (G), comprenant un tuyau d’alimentation pour le liquide cryogénique (L)ayant une extrémité, le tuyau d’alimentation du liquide a un diamètre intérieur supérieur ou égal à 10 mm et une conduite de gaz (T) de section circulaire, de diamètre d, la conduite de gaz comprenant une partie ayant une réduction du diamètre d’un rapport de 20 à 50 % au niveau de l’injection de liquide et sur une distance y où: y = n × d et où le tuyau d’alimentation pénètre dans la conduite de gaz de sorte que son extrémité se trouve dans la partie de la conduite de tuyau ayant la réduction du diamètre et n est entre 7 et 9. Fig.4

Description

Dispositif de fragmentation d’un liquide cryogénique dans une conduite de gaz.
La présente invention est relative à un dispositif de fragmentation d’un liquide cryogénique dans une conduite de gaz, à un appareil de séparation comprenant un tel dispositif et à un procédé de fragmentation d’un liquide cryogénique dans une conduite de gaz.
Il est parfois nécessaire d’injecter un liquide cryogénique dans une conduite où circule un gaz.
Dans un schéma classique d’appareil de séparation d’air sans pompe d’oxygène liquide, une purge de liquide permet de déconcentrer le bain d’oxygène liquide en hydrocarbure. Le froid de celle-ci peut être valorisé dans l’échangeur principal en étant injecté dans l’azote résiduaire après un premier passage. Le surplus de pression qui permet d’injecter le liquide est principalement le fait de la hauteur hydrostatique due au poids du liquide de la purge. On a alors un petit débit de liquide cryogénique que l’on va vaporiser dans un débit gaz plus important et surchauffé.
Dans certains cas, l’azote résiduaire peut passer ensuite par une détente dans une turbine. Or, la roue d’une turbine est sensible aux impacts potentiels de gouttes. Il faut donc s’assurer que le liquide est complètement vaporisé avant la turbine.
Il est également possible d’injecter le liquide cryogénique dans un gaz contenant entre 45 et 95% mol. d’oxygène, par exemple entre 72 et 82% mol d’oxygène.
L’invention présente concerne un dispositif d’injection de liquide cryogénique dans une conduite de gaz. Le gaz est de préférence à une température inférieure à 0°C, ayant été partiellement réchauffé dans l’échangeur de chaleur principal de l’appareil de séparation d’air, étant un produit d’un procédé de distillation cryogénique d’air.
La manière la plus simple de procéder consiste à simplement connecter les deux conduits de sorte qu’ils débouchent sur un conduit unique. On a alors une injection pariétale. On pourrait penser que celle-ci est suffisante dans la mesure où on peut avoir un écart de température de plusieurs dizaines de degrés entre les deux fluides et que le débit gaz est nettement supérieur au débit liquide.
Or, en réalité les coefficients d’échanges sont faibles aux températures cryogéniques qui sont en jeu. En effet, la vitesse du liquide est trop faible pour que le jet pénètre loin de la paroi. De plus, les gouttes générées dans cette configuration sont, d’après les modèles disponibles dans la littérature du domaine de la combustion, de taille millimétrique de sorte qu’elles sont lentes à évaporer. En effet, le risque de bouchage sur la ligne de liquide nécessite d’utiliser un diamètre de conduit relativement élevé, et donc à la fois une vitesse faible sur le liquide et surtout une taille typique élevée.
De plus, les gouttes sont rapidement accélérées jusqu’à la vitesse du gaz, n’ayant alors plus de vitesse relative et le transfert principalement diffusif, moins efficace que le transfert convectif.
Une façon naturelle pour l’homme de l’art d’améliorer le mélange est d’ajouter un mélangeur statique dans le conduit en aval de l’injection. Or une fois le liquide en gouttelettes, un tel dispositif serait soit peu efficace, les gouttelettes suivant les lignes de courant du gaz, soit même contre-productif, car si les gouttes se déposent sur le mélangeur, alors en sortie du mélangeur on aurait une nouvelle fragmentation du liquide dont la taille de goutte est difficile à prédire.
Une autre manière, classique dans le génie des procédés, est de distribuer le liquide sur un lit de garnissage qui serait dans ce cas dans la conduite ou alors d’utiliser une buse avec une forte perte de charge pour pulvériser le liquide en fines gouttelettes. Ces deux méthodes, relativement complexes, sont rendues impossibles par la contrainte de garder une section de passage importante pour le liquide afin de limiter les risques de bouchage.
But de l’invention
Le but de l’invention est de proposer une configuration simple à fabriquer et à installer pour favoriser l’évaporation du liquide cryogénique tout en limitant les risques de bouchage dans le conduit liquide.
Exposé et avantages de l’invention
A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de fragmentation d’un jet liquide cryogénique dans un flux de gaz surchauffé, où :
  • l’écart de pression entre les fluides est dû à la pression hydrostatique du liquide dans sa conduite,
  • le tuyau d’alimentation du liquide a un diamètre intérieur supérieur ou égal à 10 mm, de préférence supérieur ou égal à 20 mm pour limiter le risque de bouchage,
  • la surchauffe du gaz est comprise entre 10 et 30 °C.
Caractérisé en ce que :
  • le tuyau d’alimentation liquide pénètre jusqu’au milieu de la tuyauterie gaz,
  • la conduite gaz a une réduction du diamètre d’un rapport de 20 à 50 % au niveau de l’injection de liquide sur une distance correspondant à 1 à 5 fois la distance de rupture du jet y estimée selon la corrélation suivante :
y = n × d
où d est le diamètre du conduit d’injection de liquide, n est un nombre entre 7 et 9, de préférence entre 7,5 et 8,5.
  • optionnellement une buse d’injection liquide pour générer une atomisation en film et résistante au bouchage,
    • de préférence du type à jet plat produisant un jet plat ou en forme de feuille.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un dispositif de fragmentation d’un jet de liquide cryogénique dans un flux de gaz, comprenant un tuyau d’alimentation pour le liquide cryogénique ayant une extrémité, le tuyau d’alimentation du liquide a un diamètre intérieur supérieur ou égal à 10 mm, de préférence supérieur ou égal à 20 mm, et une conduite de gaz de section circulaire, de diamètre d inférieur à 600mm, de préférence inférieur à 450mm, sur la majorité de sa longueur, la conduite de gaz comprenant une partie ayant une réduction du diamètre d d’un rapport de 20 à 50 % au niveau de l’injection de liquide et sur une distance y où
y = n × d
et où le tuyau d’alimentation pénètre dans la conduite de gaz de sorte que son extrémité se trouve dans la partie de la conduite de tuyau ayant la réduction du diamètre et n est un nombre entre 7 et 9, de préférence entre 7,5 et 8,5.
Selon d’autres objets facultatifs de l’invention, il est prévu :
-une buse d’injection liquide est disposée à l’extrémité du tuyau.
-la buse est du type à jet plat capable de produire un jet plat ou en forme de feuille.
-l’extrémité du tuyau se trouve dans un rayon de d/10 autour de l’axe central de la conduite de gaz.
-le tuyau d’alimentation pénètre dans la conduite de gaz de sorte que son extrémité se trouve à l’entrée de la partie de la conduite de tuyau ayant la réduction du diamètre
- la conduite de gaz a une première section ayant un premier diamètre et une deuxième section ayant un deuxième diamètre qui est inférieur d’un rapport de 20 à 50 % au premier diamètre
-la conduite de gaz a une section intermédiaire entre la première section et la deuxième section
-l’extrémité du tuyau d’alimentation se trouve dans la section intermédiaire ou la deuxième section
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un échangeur de chaleur pour refroidir de l’air par échange de chaleur avec le gaz, un système de colonnes comprenant au moins une colonne de distillation pour séparer de l’air refroidi dans l’échangeur, la conduite de gaz étant reliée à l’échangeur pour être alimenté en gaz produit par une colonne du système de colonnes et le tuyau de liquide étant relié au système de colonnes pour être alimenté par un liquide produit par une colonne du système de colonnes.
Selon d’autres objets facultatifs de l’invention, il est prévu :
-le système de colonnes comprend une colonne ayant une cuve entourée par un liquide enrichi en oxygène par rapport à l’air, le tuyau étant relié à cette cuve.
-le système de colonnes comprend une colonne ayant un condenseur de tête contenant par un liquide enrichi en oxygène par rapport à l’air, le tuyau étant relié au condenseur.
-l’appareil comprenant une turbine, la conduite de gaz étant reliée au système de colonnes pour envoyer au dispositif un gaz enrichi en azote par rapport à l’air et le dispositif étant relié à la turbine pour y envoyer le gaz enrichi en azote dans lequel le liquide a été fragmenté.
-le tuyau de liquide est disposé de sorte que le liquide soit pressurisé par pression hydrostatique.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu _un procédé de fragmentation d’un jet de liquide cryogénique dans un flux de gaz , dans lequel un liquide cryogénique à une température inférieure à -100°C circule dans un tuyau d’alimentation ayant une extrémité, le tuyau d’alimentation du liquide a un diamètre intérieur supérieur ou égal à 10 mm, de préférence supérieur ou égal à 20 mm, et un gaz à une température entre 10 et 30°C au-dessus de sa température de rosée circule dans une conduite de gaz de section circulaire, de diamètre d sur la majorité de sa longueur, la conduite de gaz comprenant une partie ayant une réduction du diamètre d’un rapport de 20 à 50 % au niveau de l’injection de liquide sur une distance y où:
y = n × d
dans lequel on envoie le liquide par le tuyau d’alimentation qui pénètre dans la conduite de gaz de sorte que son extrémité se trouve dans la partie de la conduite ayant la réduction du diamètre et le liquide débouche dans cette partie de la conduite et n est un nombre entre 7 et 9, de préférence entre 7,5 et 8,5.
De préférence le gaz et le liquide circulent du haut vers le bas. Ainsi la pression hydrostatique contribue à la pressurisation du mélange.
Une pression purement hydrostatique permet d’éviter l’utilisation d’une pompe complexe et fragile.
L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures.
montre les tailles de gouttes calculées par différents modèles en fonctions de la charge de l’appareil.
montre le temps d’évaporation et la distance parcourue avant évaporation d’une goutte en fonction de sa taille initiale
montre des modèles de taille de goutte maximale en fonction du diamètre de la conduite de gaz dans une configuration de jet liquide dans un flux gaz transverse
montre la configuration avec injection centrale (à gauche) et avec injection centrale et réduction du diamètre de la conduite gaz selon l’invention (à droite).
montre les tailles de goutte calculées par différents modèles en fonctions de la charge de l’appareil.
montre le temps d’évaporation et la distance parcourue avant évaporation d’une goutte en fonction de sa taille initiale.
montre des modèles de taille de goutte maximale en fonction du diamètre de la conduite de gaz dans une configuration de jet liquide dans un flux gaz transverse. La réduction du diamètre de la tuyauterie gaz au niveau de l’injection et sur la distance de fragmentation du jet liquide permet de diminuer la taille maximale des gouttes ;
montre la configuration avec injection centrale (à gauche) et avec injection centrale et réduction du diamètre de la conduite gaz selon l’invention (à droite). La figure à droite illustre l’envoi de liquide L au centre de la conduite T de gaz G. La figure à gauche illustre la conduite T à gauche ayant un diamètre d inférieur à 600mm, de préférence inférieur à 450mm sur la plupart de sa longueur et une partie de la longueur ayant une réduction du diamètre d’un rapport de 20 à 50 % au niveau de l’injection de liquide à une température inférieure à -100°C sur une distance y où:
y = n × d
où n est entre 7 et 9, de préférence entre 7,5 et 8,5, par exemple 8.
Le gaz G est de préférence à une température entre 10 et 30°C au-dessus de sa température de rosée. L’extrémité du tuyau d’injection liquide se trouve dans un rayon de d/10 autour de l’axe central de la conduite T de gaz ; cette réduction du diamètre de la conduite gaz sur la distance y de fragmentation du jet liquide permet de diminuer la taille maximale initiale des gouttes.
La conduite T de gaz de la figure à droite a une première section ayant un premier diamètre et une deuxième section ayant un deuxième diamètre qui est inférieur d’un rapport de 20 à 50 % au premier diamètre . La conduite T de gaz a une section intermédiaire entre la première section et la deuxième section. L’extrémité du tuyau d’alimentation de liquide L se trouve dans la section intermédiaire ou la deuxième section, puisque la réduction du diamètre dans la partie la plus étroite de la section intermédiaire est encore 20 et 50% du diamètre.
L’alimentation du liquide cryogénique au centre du tuyau gaz permet de favoriser le mélange entre le gaz et le liquide en limitant le risque de coalescence sur la paroi.
L’utilisation d’une buse à jet plat permet un premier mécanisme d’atomisation en film qui limite la taille de goutte initiale tout en gardant un diamètre de passage suffisant pour éviter le bouchage. Une buse à jet plat est connue de FR3113608 et FR3107659.
Le dispositif peut être incorporé dans un appareil de séparation d’air par distillation. Un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprend un échangeur de chaleur pour refroidir de l’air par échange de chaleur avec le gaz, un système de colonnes comprenant au moins une colonne de distillation pour séparer de l’air refroidi dans l’échangeur.
Le système de colonne peut comprendre une seule colonne ou une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne. La conduite de gaz est reliée à l’échangeur pour être alimenté en gaz produit par une colonne du système de colonnes. Le gaz peut être réchauffé dans l’échangeur de chaleur avant d’être envoyé au dispositif de sorte que le gaz arrive au dispositif à la température entre 10 et 30°C au-dessus de sa température de rosée. Le tuyau de liquide étant relié au système de colonnes pour être alimenté par un liquide produit par une colonne du système de colonnes à une température inférieure à -100°C.
Selon une variante, le système de colonnes comprend une colonne, par exemple la deuxième colonne, ayant une cuve entourée par un liquide enrichi en oxygène par rapport à l’air, le tuyau étant relié à cette cuve.
Selon une autre variante, le système de colonnes comprend une colonne, par exemple une seule colonne, ayant un condenseur de tête contenant par un liquide enrichi en oxygène par rapport à l’air, le tuyau étant relié au condenseur.
L’appareil peut comprendre une turbine, la conduite de gaz étant relié au système de colonnes pour envoyer au dispositif un gaz enrichi en azote par rapport à l’air et le dispositif étant relié à la turbine pour y envoyer le gaz enrichi en azote dans lequel le liquide a été fragmenté.
Le tuyau de liquide est disposé de sorte que le liquide soit pressurisé par pression hydrostatique. Dans ce cas, il est parfois possible de se passer une pompe pour envoyer le liquide au dispositif.

Claims (10)

  1. Dispositif de fragmentation d’un jet de liquide cryogénique dans un flux de gaz (G), comprenant un tuyau d’alimentation pour le liquide cryogénique (L) ayant une extrémité, le tuyau d’alimentation du liquide a un diamètre intérieur supérieur ou égal à 10 mm, de préférence supérieur ou égal à 20 mm, et une conduite de gaz (T) de section circulaire, de diamètre d inférieur à 600mm, de préférence inférieur à 450mm, sur la majorité de sa longueur, la conduite de gaz comprenant une partie ayant une réduction du diamètre d’un rapport de 20 à 50 % au niveau de l’injection de liquide et sur une distance y où:
    y = n × d
    et où le tuyau d’alimentation pénètre dans la conduite de gaz de sorte que son extrémité se trouve dans la partie de la conduite de tuyau ayant la réduction du diamètre et n est entre 7 et 9, de préférence entre 7,5 et 8,5.
  2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel une buse d’injection liquide est disposée à l’extrémité du tuyau.
  3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel la buse est du type à jet plat capable de produire un jet plat ou en forme de feuille.
  4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’extrémité du tuyau se trouve dans un rayon de d/10 autour de l’axe central de la conduite (T) de gaz.
  5. Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un échangeur de chaleur pour refroidir de l’air par échange de chaleur avec le gaz, un système de colonnes comprenant au moins une colonne de distillation pour séparer de l’air refroidi dans l’échangeur, un dispositif de fragmentation d’un jet de liquide cryogénique selon l’une des revendications précédentes, la conduite de gaz (T) étant reliée à l’échangeur pour être alimenté en gaz produit par une colonne du système de colonnes et le tuyau de liquide étant relié au système de colonnes pour être alimenté par un liquide produit par une colonne du système de colonnes.
  6. Appareil selon la revendication 5 où le système de colonnes comprend une colonne ayant une cuve entourée par un liquide enrichi en oxygène par rapport à l’air, le tuyau étant relié à cette cuve.
  7. Appareil selon la revendication 5 où le système de colonnes comprend une colonne ayant un condenseur de tête contenant par un liquide enrichi en oxygène par rapport à l’air, le tuyau étant relié au condenseur.
  8. Appareil selon l’une des revendications précédentes 5 à 7 comprenant une turbine, la conduite de gaz étant reliée au système de colonnes pour envoyer au dispositif un gaz enrichi en azote par rapport à l’air et le dispositif étant relié à la turbine pour y envoyer le gaz enrichi en azote dans lequel le liquide a été fragmenté.
  9. Appareil selon l’une des revendications précédentes 5 à 8 dans lequel le tuyau de liquide est disposé de sorte que le liquide soit pressurisé par pression hydrostatique.
  10. Procédé de fragmentation d’un jet de liquide cryogénique dans un flux de gaz (G) , dans lequel un liquide cryogénique (L) à une température inférieure à -100°C circule dans un tuyau d’alimentation ayant une extrémité, le tuyau d’alimentation du liquide a un diamètre intérieur supérieur ou égal à 10 mm, de préférence supérieur ou égal à 20 mm, et un gaz à une température entre 10 et 30°C au-dessus de sa température de rosée circule dans une conduite de gaz (T) de section circulaire, de diamètre d sur la majorité de sa longueur, la conduite de gaz comprenant une partie ayant une réduction du diamètre d’un rapport de 20 à 50 % au niveau de l’injection de liquide sur une distance y où:
    y = n × d
    dans lequel on envoie le liquide par le tuyau d’alimentation qui pénètre dans la conduite de gaz de sorte que son extrémité se trouve dans la partie de la conduite ayant la réduction du diamètre et le liquide débouche dans cette partie de la conduite et n est un nombre entre 7 et 9, de préférence entre 7,5 et 8,5 .
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