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~3 ~9~ 1
L'invention a trait ~ un perfectionnement des appareils
permettant de réaliser dans un volume fini un ~élange de compo-
sition contr81ée d'air avec des gaz de re~et, notamment avec
de~ hydrocarbures gazeux qui, sur les installations de produc-
tion ou de traitement, doivent être éltminés faute de d~bouché
commercial ou pour des raisons de sécurité.
De tels appareils ont été décrits dans le brevet d'in
vention ~F. N 73 13306 de la demandere~se, ils peurent ~tre
alimenté~ à la pression de l'enceinte ~ purger ou à la pression
de la conduite a é~acuer.
Pour obtenir une concentration de l'effluent en hydro-
carbures gazeux, plus faible que la limite inf~rieure d?explo-
sivité il sera nécessaire de choisir pour l'in~ecteur un diamè-
tre inférieur a une valeur limite, d'o~ une limitation du d~bit.
~a présente invention permet de pallier cette difficul-
té et d'obtenir le débit le plus élevé-po~sible compte tenu de
la valeur de la limite iDférieure d'explosi~it~ E) et du
diam~tre du mélaDgeur, autreme~t dit d'obtenir un débit optimum.
Un dispositif, suivant l'inrention, de dispersion
dans l'atmosphare de gaz de rejet et notamment d'hydrocarbures
gazeu~, compreDant au moins un conduit de m~lange ouvert aux
deux extrémités et un ln~ecteur de gaz coaxlal du conduit de
mélange et prolongeant UD tube d'alimentation en gaz a haute
pressioD, ledit tube d'alimentation débouchant dans une enceinte
contenant le gaz à é~acuer, le rapport des racines carrées des
secti~s du conduit et de l'injecteur étant compris entre 30 et
300, les sections prises en coDsidératlon taDt pour le conduit
de mélange que pour l'in~ecteur étant les sections les plus
faibles, est caract~ri~é eD ce qu'il comporte, intercal~ sur le
tube d'alimentation, un mécanisme de r~gulation délivrant ~
l'injecteur un débit de gaz à une pression intermédiaire entre
la haute pression inltiale d'alimentation et la pression régnant
~.~
~31~7 1
dans le conduit de m~laDge, ledit mécani~me de régulation étant
muni d'un moyen de fixation de la valeur de la pre~sion à la-
qu~lle le gaz est delivré à l'injecteur.
Lor~que l~enceinte à évacuer est de volume fini et
DOD alimentée, le moyen, connu en soi, de fixation de la valeur
de la pre~sion à laquelle le gaz est délivré à l'in~ecteur, est
réglé pour une valeur maximale comprise entre 4 et lO bars.
~ orsque l'enceinte à ~vacuer e~t a pression constante,
le moyen de fixation de la ~aleur de la pre~sion à laquelle le
gaz est délivré à lîinjeeteur est ~églé pour une valeur déter-
minée comprlse entre 8 et 16 ~ars~
~ 'invention ~era mieu~ comprise dans la de~cription
donnée à titre non limitatif des schémas des dispositifs
illustrés à l'aide des fleures suivante~ :
Figure 1 - Dispositif de dispersion ¢lassique (art
antérieur)
Figure 2 - Dispositif de dispersion selon l'invention
Figure 3 - Schéma de montage.
~ a figure l donne un ~chéma de dlspositif de disper~ion
classique, tel qu'il eæt décrit dans le brevet français
N 73 13306. Un tel disposltif de disperslon comprend un conduit
de mélange l, ouvert aux deux extrém~t~s et un in~ecteur 2
coaxial au conduit de mélange et prolongeant un tube d'alimen-
tation 3 en gaz ~ haute pression.
~ e tube d'alimeDtation 3 débouche dans une enceinte
4 CoDtenant le gaz à éva¢uer. ~e rapport des racines carrées
des sections du ¢onduit et de l'in~ecteur est compris entre
30 et 300, les sections prises en consldération tant pour le
coDduit de m~lange que pour l'in~ecteur étant les sectioDs les
plus raibles.
Un manomatre 5 donne la valeur de la pression r~gDant
dans le tube d'alime~tation 3.
- 2 -
~()3~971
:
~a figure 2 donne un sch~a dtun dispositif de
dispersion suivant l~inveDtio~, où l'on retrouve les principaux
éléments de la figure 1 mais où l'on remarque, intercalé sur le
tube d'alimentation 3 un mécanisme 6 de régulation délivrant
a l~injecteur 2 un débit de gaz ~ pression con~tante, ledit
m~canisme de régNlation étant muni de moyens, connus en soi,
de fixation de la valeur de la pression ~ laquelle le gaz est
déli~ré ~ l'injecteur.
U~ tel mécanlsme de régulation, muni de moyens de
fixation de la pres~ion, est décrit dan~ l'Ency¢lopédie des
Scienceg et des ~ecbniques, pages 702 à 703 - Presses de la Cité
1973 France .
Des manom~tres 5' et 5" sont disposés sur le tube 3
de part et d'autre du mécanisme 6 de régulation.
Dans le dispositif classique (figure 1), avec un
conduit de mélaDge de caract~ristiques données, telles que le
diamètre D il e~t néce~saire de choisir le diamètre d de l'in- ;
jecteur suffisamment faible pour que le mélange ait une teneur
n hydrocarbures gazeus inférieure au taux d'explosivité.
Dans le dispositlf selon l'invention (flg. 2) la
fixation d'une pression intermédiaire entre la pression initiale
dan~ l'enceinte 4 et la pression de sortie du disperseur permet
de con~erver le diametre (d) sans ~odi~ication et d'assurer le
rendement opt$mum de l'iDstallation,
~a Justifi¢ation des coDditions de fonctionnemeDt par
les limites proposées dans le choix de la pres~ion iDterm~diaire
r~sulte de l'analyse ~uivante :
l'étude des paramètres, dont la désignation suit:
D : diamatre du mélangeur; d ; diamètre de l'injecteur
P : pression en amont de l'injecteur
Q : débit de gaz (en conditions standard soit 15C, 1 bar)
: concentration du m~lange
_ 3 _
(~31~7:~
fait apparaItre leur d~pendance. En effet des essai~ entrepris
avec différents gaz indi~uent que la pres~ion en amont de l'in-
jecteur co.ntrôle la concentration du mélange ~ la sortie du
disper~eur, or, pour une CoDcentration donnée, cette pres~ioD
varie comme l'in~er~e du diamatre de l'injecteur alor9 que le
d~bit de gaz cro~t comme la pression et la section de l'injec-
teur. Il exi~te alor~ un couple (d,P) pour lequel la capacité
de traitement du procédé est optimale.
~es résultats d'essais effectués avec du gaz naturel
épur~, contenant plu~ de 95 % de méthane, on permis d'établir
une relation empirique liant ~, R et P avec R = D/d :
,
N = (19,9 P + 120)~ - 0,033 P + 0,28 (1)
Avec un autre gaz que celui-ci et pour lequel G
représente la valeur de la densité du gaz consid~r~ par rapport
à l'air , l'étude de la conservation de la quantité de mou~eme~t
entre le gaz ~ la sortie de l'in~ecteur et l'air dan8 le mélan-
geur permet de proposer une deuxiame formulation de la conce~tra-
tion du gaz dans le mélange (on néglige l'influence des pres-
-sions et des frottements sur les parois).
Soit avec les indices (a) pour l'air et (g) pour le
gaz :
débit massique
v z ~ltesse moyenne aux conditions opératoires
v - vitesse calculée en conditions standard
p 8 magse ~olu~ique
q ~ débit ~olumlque
~a conser~atlon de la quantité de mouvement donne :
vg mg ~ Va ma
ou ~g qg g = ~ a qa Va
a qa /~r D2
-- 4 --
~ ~. ;................... -
103163~1
qg/qg I \l-- ~Z R~r~_ (2)
on a au~si N - ~ g~ # qg
q m ange qg ' qa ~4
d'o~ N # _ (4)
La formule (4) est une formNle approchée, qui ne
tient pas ¢ompte de P. ~'analogie entre les formules (4) et (1) ;~
permet d'écrire:
N 5 1 ( ~ p + ~) - 0,033 p + 0,28 (6)
R~r~--
ou en appliquant (6) au gaz naturel on détermine la ~aleur de
et de ~, en prenant pour G la valeur 0,5625.
19,9 d'où ~ = 14,9
az naturel
~3 ' '
- - 120 d'où ~ = go
~ az naturel
: On e~ tire la formule généralisée
; . N ~ ,9 p + 90) - 0,033 p ~ 0,28
: R ~J____G (7)
~ es relatlons (1) et (7) donnent N a mleu~ de 10 %
prés, elles eont ~a.lables pour.:
< R < 500 et 3 < p < 30
Afin de r ~ uire l'ecombrement du dispositlf disper-
seur, et d'en faciliter la manutention, on a conser~é pour le
diamatre D du m~langeur des ~al-urs inf~rieures à 3.000, d'où :
d ~ 60
Tout mélange gazeux combustible a une limite inférieure
d'esplosivité (~IE). Au-dessus de cette concentration de gaz
: - 5 -
71
dan~ l'air, le mélange devient explosif ou in~lammable.
Par me~ure de securit~, on tra~aille ~ur des m~lange3
de concentration:
N ~ 80 ~ ~IE
La LIE du méthane = 5 ~, l'étude porte sur N ~ 4 ~.
ha formule de base pour la comparaison entre les dlfférents
dispositif~ est : .
p _ 120 d ~ D (N - 0,28) (8)
19,9 - 0,033~
ha pre~sion est une fonction décrolssante de (d) et croissante de
(N) , et d'autre part on a :
2 (p
k ~tant un coefficient de proportionalité, (Q) cro~t avec la
section de l'injecteur et avec la pressio.n.
~n ce qui CoDcerne la purge d'une enceinte non alimentée de volume
Vo de la pression Po à la pression px
p2 = pression du mélange à la ~ortie du disper~eur
: po = pres~ioD initiale de l'eDceinte non aliment~e
p est proche de P atmosphèrique et lorsque px ~ p
atmosphérique, le temps de purge est quasi infini.
t ~ temps pour purger l'enceinte de volume Vo de Po.a px.
On obtient, par le procéd~ ¢lassigue :
k d2 hn ¦ Po ~ 1
Par le procéd~ optimisé :
px ~ p < Po k d2 (P-lL k ~2 1 p
~es r~sultats de la comparaisoD entre les deux procédés
sont rassemblé~ dans les tableaus sui~ants :
TABLEAU I. Comparaiæo.n des 2 procédés - Gain en temps
CoDstaDtes parametriques: Vo = 20 m3, Po = 60 bars
k = 20 m3/j/~2/bar, n z Pression du gaz délivré à l'iDjecteur
-- 6 --
.. . .
7 1
, PROCEDE C~ASSIQUE l PROCEDE OP~IMISE GAIN
mn l tl/t2
tlmn d mn p.bar t2mn d mn P.bar ,
_ .
500 1 951 2,17 60 328 8,25 5,91 5,94
1 000 488 4,34 60 82 16,49 5,91 5,95
1,500 217 6,51 60 36 24,74 5,91 6,02
2 000 122 8,69 60 20 32,98 5,91 6,10
Le gain du procéd~ optimis~i sur le proc~idé classique
e~t considérable, de l'ordre de 500 % sur le temps de purge.
TAB~EAU II. Influence de Px 8ur t.
. Constanteæ paramétriques D ~ 1000 mm Vo = 20 ~ Po = 60 bars
: k = 20 m31j/mm2/bar
N = 4
Px bar 1,05 1,1 1,2
t : 85 82 78
Lorsque Px passe de 1,05 à 1,2 bar le gain sur le temps
d'évacuation est de 8 %.
TAP~EAU III. Gain en taille du disperseur
Constantes paramétriques : Vo 3 20 m3 Po = 60 bars
3 2 N = 4 ~ et t ~ 354mn
20 m /J/mm /bar,
: d mm D mm D.classlque
D.optimum
. , . _ _ .
Prooéd~ optimum 8,25 500
2,42
Procédé ¢lasslgu~ 29 1 210
Par appli¢ation du dispositif selon l'in~ention, le
diamètre D e~t réduit de plus de moitié.
Une ~tude de sensibilit~ de N, G, D et Po sur le
¢ouple optimal (d,P), en faisant varier les paramatres dans
- 7 -
~ ~)3~71
les limites ~uivantes :
500 mm ~ D ~ 3000 mm
0,5 ~ G ~ ~
1 % ~ N ~ 5 %
25 ~ Po ~ 100 bar~ ~
a conduit ~ constater que la pression P , pressio~ maximale ~ -
laquelle le gaz doit être délivré à l'inJecteur est compri~e
entre 4 et 10 bars.
On doit~remarquer que, au cours de la purge d'une
enceinte de ~olume Vo, non aliment~e, lorsque la pression da
l~e~ce1Dte a atte~nt la valeur lntermédiaire P , la suite de
l'opération se déroule comme dan~ le procédé classique de P à px
~; En ce qui concerne une source de gaz a pression constante,
les relations (8) et (9) lient les paramatres, d, P et Q.
Da~8 Dotre domaine d'application
. kd ~ 2 (P-l) + d ~ O
d ~ d
admet une ~olutio~ d, racine d'une éguation du 2e degre en d.
cette~aleur de d~¢orrespoDd une ~aleur de P et une valeur
2o de Q qul est UD maximwm. Ce couple (d, P) e~t alor~ un couple
; de fon¢tionDement optimum.
es résultats de la comparaison entre les deux prooédés
oDt été r-ssembles dans les tableaux ~uivants :
BLEAU IV. Prooéd~ optimis~ - Influen¢e de N sur Q
ConstaDtes paramétriques D ~ 1 000 mm k = 20 m3/~/m~2/bar.
--
~ ~ 2,5 1 3 _ ~ ~ 4,5
;~ ~ Q ~3/~ 11,4001 16,000 21,600 1 28,000 35,300 1 43,500
On notera que, de même que pour la purge d'une en¢einte
fermée, le débit ¢ro$t a~ec N, on a don¢ intérêt à tra~ailler le
plu~ prë~ possible de la ~IE.
- 8 -
, . . . . . ... . . ....
"" ~()3~'J71
TABLEAU V. Comparaison de~ 2 procéd~s - Gai~ en d~bit
Constantes paramétriques N 5 4
k - 20 m3/~/mm2/bar
_ _ .. ,
PROCEDE CI.ASSIQUE PROCEDæ OP~rIMISE GAIN
D mm
dmm P bar Q m3/J d mm P bar Q m3/j Q2/Ql
_
1 000 3,33 10021 950 12,28 10,65 28 000 1,27
1 500 5 10049 500 18 42 10,65 6~ 000 1,27 ..
2 000 6,66 10087 800 24,56 10,65 112 000 1,27
3 000 10 100198 L 6,a3 10,65 L252 000 1,27
.:
OD constate gue la.pression e~ amont du di~per~eur . .
est indépendante de D. De plus, pour un diamètre D donné, le
débit optimisé est indépendant de la pression de la source
initiale. ~ . :
~ 'emploi d'un mécanisme de régulation est d'autant
plu8 ~ustifié que la différen¢e (P0 - P ) est élevée. On a un
gain de 7 S pour Po z 25 bar, et 27 % pour Po = 100 bars.
Lorsgue le débit est imposé, le procédé optimisé20~ permet de réduire l'encombrement au 801 de l'appareillage. Il
aut en efret un mélangeur de diamatre plus important avec le
prooédé classlgue qu'a~ec le proc~dé optimis~.
;~ Une étude de senoibilité des paramètres N, G et D sur
le ooupIe optlm~ (.d, P ) en ralsant ~arier les paramètre~ dans
les même~ limites que pour la purge d'une ~aleur Vo non allmentée~
. conduit à constater que la pre~sion P , pression détermlnée
` à laquelle le gaz dolt 8tre déli~ré à l'inJecteur, est comprl~e
e.ntre 8 et 16 bars.
Un exemple d'applicatlon industrielle d'évacuatlon
d'une enceinte alimentée permet de situer les principaux
a~antages du nou~eau dispo~ltif.
Pour traiter, par le proc~dé (figure 1) une source
_ g _
1~3~97~
.
de gaz à 150 bars, avec un débit impo~ de 300.000 N m3/ jour
et une concentratlon N ~ 4, il ~aut 10 unité~ de dispersion
ayant chacune un diam~tre D = 1137 ~m et une hauteur H z 5,55m.
Avec le nouveau dispositif(figure 2) as~urant la
détente intermédiaire à 10,65 bars, il faut 10 unit~ de disper-
sion ayant chacun0 D z 1,015 mm et H = 4,06 ~.
Pour un groupe de.10 disperseurs de diamatre unitaire
D, la surface d'encombrement au sol est:
S = a b = (1 + V3 ) D. 4D = ~ . D
~a surface d'encombrement dans le premier ca~ est
de 14,12m2 contre 12,25 m2 a~ec le procédé optimisé, soit un
gain de.plus de 10 % en ~ur~ace.
De plus le poids d'une unité est proportionnel au
diamètre D et à la hauteur h (h s 4 D), il est alors proportionnel
à D2. ~e gain en poid~ est voisin de 25 %.
~ es deux a~antageæ en poids et en surface d'encombre-
~; ment sont parti¢uliarement appréciables pour les installations
; en mer.
D'une façon gén~rale, le fait d'alimenter l'in~ecteur
à une pression intermédiaire déterminée rend le procédé dedlspersion plus performant, gain de temps dans le cas d'une
:~ : purge, gain en poids et encombrement dans le cas de l'évacuation
d'un débit de gaz à pression ¢onstante.
-- 10 --
.. ~ ............................... . .
i
