DISPOSITIF ET LANCE AGITATEUR HYDRODYNAMIQUE.
La présente invention concerne un dispositif agitateur hydrodynamique pour dissoudre, mélanger ou remettre en suspension ou en « sol », dans une phase liquide principale, un dépôt sédimentaire qui est contenu dans un réservoir et recouvert par ladite phase liquide principale.
On connaît dans l'état de la technique un agitateur hydrodynamique divulgué par le brevet EP0160805, dans lequel le dispositif comporte, dans l'une des variantes de réalisation, une lance autorotative munie de buses orientées orthogonalement par rapport à l'axe de rotation du rotor, afin de projeter des jets horizontaux. Une buse additionnelle est orientée à environ 45° par rapport à l'axe de rotation, pour former un jet de liquide incliné vers le bas.
L'inconvénient du dispositif de l'art antérieur est que les tubes aux extrémités inférieures desquelles sont raccordées les lances autorotatives ont tendance à se rompre dans la région de leur extrémité supérieure, là où ils sont attachés au toit du réservoir. Cette rupture est apparemment due au fait que les tubes qui peuvent avoir une longueur de 15 à 20 mètres, sont soumis à des efforts de flexion dont la direction varie à chaque instant en fonction de la position angulaire du rotor de la lance. Il en résulte une fatigue de la lance pouvant entraîner la rupture ou au moins la fissuration de la lance ou du tube qui la supporte, occasionnant alors un dysfonctionnement majeur du dispositif.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif agitateur hydrodynamique autorotatif robuste et fiable. A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un dispositif muni de lances porte-buses présentant des buses
disposées de façon à annuler la résultante des composantes radiales .
Selon un mode de réalisation préféré, les buses sont disposées dans des directions angulaires telles et avec des orientations telles que les axes de leurs orifices respectifs se déduisent l'un de l'autre par une rotation d'un angle de 360° /n autour de l'axe central du rotor porte-buses, n étant le nombre de buses situées à la périphérie du rotor porte-buses . Selon une variante particulière, chacune des buses situées à la périphérie du rotor porte-buses présente un orifice dont l'axe forme un angle d'environ 30° par rapport au rayon correspondant à la position angulaire dans laquelle se trouve la buse considérée. Selon un mode de réalisation préféré, les axes des orifices des buses sont décalés latéralement par rapport à des plans longitudinaux radiaux. Par "plan radial", on entendra un plan défini par l'axe longitudinal du porte-buses d'une part, et par un axe radial perpendiculaire à l'axe longitudinal, l'axe radial étant parallèle à l'axe médian de l'orifice de la buse. L'axe médian de l'orifice d'une buse n'est pas dans un plan radial, mais dans un plan parallèle à un plan radial.
Avantageusement, le dispositif comporte deux buses dont les axes des orifices sont parallèles et décalés latéralement de part et d'autre à un plan médian formé par un axe diamétral et l'axe longitudinal. Le décalage latéral entre l'axe de l'orifice du porte-buses et le plan formé par un axe radial et l'axe longitudinal est préférentiellement compris entre 8 et 14mm, et de préférence d'environ 9 mm. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comporte trois buses présentent chacune un orifice d'un diamètre de 5 mm, la troisième buse ayant son axe confondu avec l'axe de rotation du rotor porte-buses.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés correspondant à des exemples non limitatifs de réalisation, où : la figure 1 représente une vue schématique d'une cuve munie d'un dispositif selon l'invention ; la figure 2 une vue en coupe partielle de la cuve représentée en figure 1, montrant un tube avec sa lance plongeant dans ladite cuve ; - la figure 3 représente une vue en élévation partielle et en coupe verticale d'une lance selon 1 ' invention ; les figures 4 et 5 représentent des vues en coupe à plus grand échelle de l'élément inférieur du rotor de la lance représenté en figure 3 ; la figure 6 représente à une échelle encore plus grande une buse de gicleur du rotor de la figure 3 ; la figure 7 représente une vue selon une coupe VII-VII de la figure 6 ; - la figure 8 représente une vue en coupe d'une lance selon une variante préférée de réalisation ; les figures 9 et 10 représentent des vues respectivement en coupe longitudinale et transversale du connecteur principal; - les figures 11 et 12 représentent des vues respectivement en vue de coupe longitudinale et transversale du stator ; les figures 13 et 14 représentent des vues respectivement en vue de coupe longitudinale et transversale du connecteur de rotor ; les figures 15 et 16 représentent des vues respectivement en vue de coupe longitudinale et transversale du premier corps du rotor ;
les figures 17 et 18 représentent des vues respectivement en vue de coupe longitudinale et transversale du deuxième corps du rotor ; les figures 19 et 20 représentent des vues respectivement en vue de coupe longitudinale et transversale d'une buse ; les figures 21 et 22 représentent des vues respectivement en vue de coupe longitudinale et transversale du porte-buses . La figure 1 représente une cuve (1) de forme cylindrique, munie d'un toit fixe (la) solidaire de la paroi latérale (lb) de la cuve (1) . La cuve peut également présenter un toit flottant sur le produit liquide contenu dans la cuve (1) . Dans ce cas, des éléments d'étanchéité sont prévus à la périphérie du toit (la) . La cuve (1), notamment lorsqu'elle est destinée au stockage du pétrole brut, peut atteindre un diamètre de plusieurs dizaines voire d'une centaine de mètres et une hauteur de 15 mètres ou plus. Le pétrole brut décante progressivement et donne naissance à un sédiment qui se dépose sur le fond (le) (figure 2) de la cuve (1), sous la forme d'une couche qui peut atteindre plusieurs mètres d'épaisseur et qui a une surface supérieure relativement irrégulière.
Le nettoyage de la cuve s'effectue en aspirant le liquide contenu dans la cuve (1) à l'aide d'au moins une pompe (2) et en réinjectant le liquide ainsi pompé, avec un débit et une pression prédéterminée, contre la couche de sédiments à l'aide d'une lance (3), et de préférence de plusieurs lances (3) autorotatives, afin de désagréger les sédiments et les remettre en suspension dans la phase liquide. Lorsque la quasi-totalité des sédiments formant la couche ont été dissous ou remis en suspension dans la phase liquide, celle-ci peut être évacuée de la cuve (1) de façon connue.
Comme représentée en figure 2, chaque lance (3) peut être fixée à l'extrémité inférieure d'un tube (4) qui passe à travers un fourreau (5) prévu sur le toit (la) de la cuve (1) et dont l'extrémité supérieure est raccordée à un tuyau flexible (6) relié à un dispositif répartiteur (7) . Ce dispositif répartiteur (7) est relié à une canalisation (8) au côté refoulement de la pompe (2) dont le côté aspiration relié par une autre canalisation (9) à une prise de liquide (11) située, par exemple, à la partie inférieure de la paroi latérale (lb) de la cuve (1) . Chaque tube (4) peut être maintenu dans la position désirée en hauteur à l'aide d'un dispositif de serrage représenté schématiquement par les deux flèches 12 de la figure 2 et qui est porté par chaque fourreau
(5) ou par le toit (la) de la cuve (1) . Les fourreaux (5) à travers lesquels passent les tubes (4) sont régulièrement répartis sur la surface du toit (la) de la cuve (1) . Les lances sont de préférence réparties en plusieurs groupes de trois lances par exemple, comme montré en figure 1, et chaque groupe de lances est alimenté en liquide par sa propre pompe (2) . Grâce à une subdivision en plusieurs groupes, on obtient l'avantage que les tuyaux ou autres canalisations (8, 9) à manipuler sont plus légers. La vitesse de montage est améliorée et la modularité du dispositif agitateur est augmentée. De préférence, chaque pompe (2) est constituée par une pompe volumetrique à déplacement positif, mue par son propre moteur (13), ou par un moteur unique, constitué par un moteur hydraulique relié à un générateur de pression hydraulique (14) par des canalisations
(15 et 16) . Dans le cas où la cuve (1) est une cuve de stockage de pétrole brut ou autre produit de raffinage inflammable ou dégageant des vapeurs inflammables, la cuve (1) ou un groupe de cuves de ce genre est entourée par un merlon. Dans ce cas, le générateur de pression hydraulique (14) est
placé hors merlon, de manière à n'avoir aucun appareil électrique générateur d'étincelles en zone explosive.
Chaque lance (3) est une lance autorotative produisant un débit d'environ 10 mètres cube par heure. Elle comporte comme représenté en figure 3 un stator (81) cylindrique creux (17) et un rotor porte-buses (18) monté rotatif sur le rotor (17).
Le stator (81) cylindrique creux (17) est ouvert à ses deux extrémités. Il est muni à son extrémité supérieure d'un filetage extérieur (17a) au moyen duquel il est raccordé à l'un des tubes (4) par l'intermédiaire d'une pièce de raccordement (19) munie d'un filetage intérieur (19a) complémentaire. La pièce (19) est aussi munie d'un filetage extérieur (19b) pouvant se visser dans un filetage intérieur du tube (4) . La pièce de raccordement (19) pourrait être un manchon fileté intérieurement à ses deux extrémités dans le cas où le tube (4) est muni d'un filetage extérieur.
A son extrémité inférieure, le stator (81) cylindrique creux (17) communique avec l'intérieur du rotor porte-buses (18) qui est creux et qui porte, à sa périphérie, plusieurs buses ou gicleurs (21) comme représenté en figure 4. Les buses (21) sont des éléments d'usure. Elles sont de préférence réalisées sous la forme de pièces pouvant être détachées du rotor porte-buses (18) de façon à permettre un remplacement rapide. Chaque buse (21) présente un orifice d'un diamètre d'environ 5 millimètres, dont l'axe (23) est orienté selon une direction présentant une composante tangentielle par rapport au rotor porte-buses (18) . Les axes (23) des buses (21) se déduisent l'un de l'autre par une rotation d'un angle de 180° dans le cas de deux buses. Dans l'exemple représenté en figure 4, l'axe (23) de l'orifice (22) de chaque buse (21) fait un angle d'environ 30° par rapport au rayon correspondant à la position angulaire dans laquelle se trouve la buse
considérée. Les axes (23) des orifices (22) des buses (21) sont situées dans un même plan P perpendiculaire à l'axe de rotation (24) du porte-buses (18) .
Les axes des orifices (21) pourraient aussi être inclinés en direction de l'axe de rotation (24) du rotor porte-buses (18), vers l'extrémité inférieure. Dans ce cas, chaque axe forme un angle de l'ordre de 75° par rapport à l'axe (24), soit un angle d'environ 15° par rapport au plan P.
De préférence, le rotor porte-buses (18) porte une buse supplémentaire (25) comme représenté en figure 4. Cette buse (25) est réalisée de manière identique à celle des buses (21), et présente un orifice (26) dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation (24) du rotor porte-buse (18) .
Comme représenté en figures 6 et 7 , la buse (25) ou chacun des buses (21) présente le forme d'un corps cylindrique (27) fileté extérieurement de façon à pouvoir être vissé dans un trou taraudé (28 ou 29) du rotor porte-buses (18) . De préférence, le corps cylindrique (27) présente une longueur axiale correspondant approximativement à l'épaisseur de paroi du rotor porte-buses, de telle façon que, après avoir été vissé dans le trou taraudé (28), sa face frontale (27a) se trouve sensiblement à fleur de la surface périphérique extérieure du rotor porte-buses et ne dépasse pas de celle-ci. Ainsi, les buses (21) ne risquent pas d'être endommagées lorsque la lance (3) est engagée dans la cuve (1) à travers l'un des fourreaux (5) . Deux trous borgnes (31) sont percés dans la face frontale (27a) du corps (27) pour permettre le vissage de la buse (21 ou 25) dans le trou (28 ou 29) correspondant à l'aide d'une clé appropriée. Comme cela est mieux visible dans la figure 7, l'orifice (22 ou 26) de chaque buse (21 ou 25) comporte une première partie tronconique (22a, 26a) qui se rétrécit dans le sens d'écoulement du liquide indiqué par la flèche G, et une
seconde partie cylindrique (22b, 26b) . De préférence, la partie tronconique (22a, 26a) présente une longueur axiale a qui est environ égale au double de la longueur axiale b de la partie cylindrique (22b, 26b) . La zone d'entrée de la partie tronconique (22a, 26a) et la zone de transition entre cette partie tronconique et la partie cylindrique (22b, 26b) peuvent être arrondies afin de réduire le coefficient de perte et d'améliorer le rendement des buses. De telles buses produisent un jet dont la forme crée une zone de dépression autour du jet. Cette zone de dépression induit un fort courant secondaire descendant le long de la lance et favorise la mise en mouvement de tout le volume de liquide.
Dans le cas d'un dispositif destiné à une cuve de stockage de pétrole brut, la partie tronconique (22a, 26a) de l'orifice (22, 26) de chaque buse (21, 25) peut avoir un angle au sommet du cône d'environ 30°, et la partie cylindrique (22b, 26b) peut avoir un diamètre d d'environ 5 mm.
La pompe (2) est dimensionnée pour produire un débit d'environ 10 à 15 m^/h par lance à une pression comprise entre 10 et 14 bars (10.105 à 14.105 Pa) .
On peut voir en figure 3 que le rotor porte-buses
(18) entoure le stator (81) cylindrique creux (17) sur une majeure partie de sa longueur, et qu'une chambre annulaire
(32) allongée est formée entre le rotor et le stator. Cette chambre (32) est pratiquement fermée à ses deux extrémités et elle contient une butée axiale à billes ou aiguilles (33) et au moins un palier radial, de préférence deux paliers radiaux (34) pour le montage à rotation du rotor porte-buses (18) par rapport au stator (81) (17). Pour des raisons de simplicité de fabrication et de montage, le rotor porte-buses (18) peut comporter trois parties (18a, 18b et 18c) disposées successivement dans le sens axial. La partie (18a) prolonge le stator (81)
cylindrique creux (17) à l'extrémité inférieure de celui-ci, et présente une cavité (35) qui communique avec le conduit interne (36) du stator (81) cylindrique creux.
Les buses (21, 25) sont portées par cette partie (18a) du porte-buses (18) . La partie intermédiaire (18b) du rotor porte-buses se présente sous la forme d'un élément cylindrique tubulaire qui entoure le stator (81) cylindrique (17) et qui a un plus grand diamètre intérieur que le diamètre extérieur dudit stator (81) cylindrique, de manière à former une chambre annulaire allongée (32) . La partie (18c) du rotor porte-buses entoure le stator (81) cylindrique (17) avec un faible jeu radial et ferme la chambre (32) à son extrémité supérieure, du côté de la pièce de raccord (19) et du tube (4) . Chacun des deux paliers radiaux (34) peut être constitué par un palier lisse supérieur. A cet effet, le stator (81) cylindrique (17) présente sur sa surface extérieure, à l'intérieure de la chambre (32), deux parties cylindriques espacées axialement, qui ont un plus grand diamètre extérieur que la partie restante dudit stator (81) et qui forment les deux paliers (34) susmentionnés. La butée axiale à billes (33) est disposée entre la partie (18c) du rotor porte-buses (18) et celle des deux parties cylindrique de plus grand diamètre dudit stator (81) (17), qui forme le palier lisse supérieur (34) . Au moins les deux parties (18b, 18c) du rotor sont réalisées sous forme d'éléments séparés munis de parties cylindriques filetées complémentaires (37, 38) pour permettre leur assemblage.
Le stator (81) (17) et les trois parties (18a à 18c) sont dimensionnés de telle façon qu'une fente annulaire radiale (39) de faible largeur soit formée entre l'extrémité inférieure du stator (81) (17) et l'extrémité supérieure de la partie (18a) du rotor. Il est ainsi créé un passage de fuite
pour le liquide amené par le tuyau (4) dans la lance (3) . Ce passage part du conduit (36) et de la cavité (35) et s'étend successivement à travers la fente annulaire radiale (39), le jeu annulaire du palier lisse inférieur (34), la chambre (32), le jeu annulaire du palier lisse supérieur (34), la butée axiale à billes (33), le jeu annulaire entre la partie (18c) et le stator (81) (17) et enfin la fente annulaire radiale (41) formée entre la partie (18c) et la pièce de raccordement (19) . Le liquide qui fuit à travers ce passage permet de lubrifier les deux paliers lisses (34) et la butée à billes (33) . Il empêche que des particules solides ou des impuretés situées à l'extérieur de la lance (3) puissent parvenir à contre-courant à l'intérieur de la chambre (32), contribuant ainsi à éviter l'encrassement de la butée à billes (33) et des paliers lisses (34) .
Les figures 8 et suivantes concernent une variante de réalisation préférée.
La figure 8 représente une vue en coupe partielle d'une lance. La lance est représentée sur cette figure en position verticale, correspondant à la position d'utilisation.
Elle présente un porte-buses (106) portant une buse axiale (97) coaxiale avec l'axe longitudinal (100) de la lance et du porte-buses (106). Cette buse axiale (97) est dirigée vers le fond de la cuve lorsque la lance est en opération. Le porte-buses (106) comporte par ailleurs deux buses latérales (107) situées à sa périphérie. Le nombre de buses latérales peut être différent de deux, et la buse axiale (97) est optionnelle.
La buse axiale (97) produit un jet vertical qui contribue à désagréger des sédiments, notamment lorsque la lance est descendue suffisamment pour que la surface frontale inférieure soit proche du sédiment. La buse axiale (97)
facilite ainsi la dissolution et la remise en "sol" des sédiments .
Les buses périphériques (107) sont disposées à intervalles réguliers et égaux à la périphérie du porte-buses (106) . La fonction de cette répartition est l'équilibrage des forces de réaction produites par les jets de liquide projetés par les buses latérales (107) qui agissent pour faire tourner le rotor autour de son axe (100) de manière équilibrée, sans effort latéral de flexion sur le tube auquel est raccordée la lance.
La direction des jets sortant des buses latérales (107) est choisie de telle sorte que l'ensemble rotor tourne dans un sens qui a tendance à visser les différentes pièces de la lance entre elles, de telle sorte qu'il n'y a pas à craindre en cours d'opération un dévissage de la lance par rapport au tube qui lui amène le liquide, ni de ses différentes pièces entre elles.
Les axes des buses latérales (107) peuvent former un plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor, et les buses projettent alors des jets horizontaux. Il est également possible d'incliner les buses par rapport à un plan transversal, par exemple vers le bas. A titre d'exemple, l'inclinaison peut être de 75° vers le bas.
Les axes des buses périphériques, quelle que soit leur inclinaison, sont situées chacune dans un plan vertical parallèle à l'axe de rotation général (100) de la lance. Tous ces plans sont situés à une distance orthogonale égale de l'axe de rotation (100) de manière à créer un couple ou un moment de rotation équilibré. La distance est choisie en fonction, afin d'atteindre la vitesse de rotation désirée. A titre d'exemple, une distance de l'ordre de 9 à 10 mm est apparue comme optimale pour une application particulière, pour une lance d'un diamètre extérieur de 72 mm.
Les jets des buses (97, 107) ont également pour fonction l'agitation et le mélange ou l'homogénéisation de la ou des phases liquides en présence, éventuellement avec les particules de sédiment détachées du fond. La rotation de l'ensemble rotor et par conséquence des jets permet à leur action de concerner tout le volume de liquide situé autour de la lance au delà de la limite du rayon d'action directe des jets. Cette action directe est relayée par les courants induits par les jets. L'ensemble rotatif formé par le connecteur de rotor, le rotor et le porte-buses sera désigné par "rotor" . Le rotor tourne autour du stator (81) formé par l'ensemble fixe comprenant le connecteur principal (80) (101) et le stator (81) . Deux paliers axiaux à roulement (98, 108) et deux paliers radiaux à roulement (104, 109), permettent la rotation et le guidage de 1 ' ensemble rotor et empêchent tout déplacement axial de 1 ' ensemble rotor par rapport à 1 ' ensemble stator (81) vers le haut et vers le bas. Les paliers sont constitués par des paliers à billes, aiguilles ou rouleaux.
Le volume compris entre le rotor (90) et le stator (81) forme une chambre fermée hermétiquement par deux joints tournants (91, 111) afin d'éviter l'entrée d'impuretés dans ladite chambre (90). Ce volume constitue par ailleurs une chambre de lubrification, car il est rempli d'une huile appropriée pour assurer la lubrification permanente des paliers qui s'y trouvent immergés. Cette disposition permet le fonctionnement de la lance autorotative dans toutes les positions et pendant une très longue durée sans intervention de maintenance. Elle permet également l'utilisation de roulements non étanches, de coefficients de friction plus faibles que les roulements étanches prégraissés, et donc plus favorables au bon fonctionnement de la lance autorotative. Une
telle disposition permet de réduire la déperdition d'énergie cinétique des jets assurant la rotation, tout en assurant une longévité plus grande de la lance. Les joints sont fabriqués en une matière chimiquement inerte permettant l'utilisation de la lance dans tous les types d'industrie, et notamment l'industrie pétrolière ou alimentaire.
Les figures 9 et 10 représentent des vues en coupe du connecteur principal (80), avec une connexion femelle (120) pour son raccordement à un tube d'amenée du liquide à injecter. Il se raccorde au stator (81) par la connexion filetée (121) .
Les figures 11 et 12 représentent des vues en coupe du stator. Le stator présente une partie filetée (123) et conduit le liquide à injecter dans le porte-buses (106) . Les figures 13 et 14 représentent une vue en coupe du connecteur de rotor (82) muni d'une partie filetée (124) pour le raccordement au corps de rotor (80). Le logement (125) reçoit le joint tournant supérieur (91) .
Les figures 15 à 18 représentent des vues en coupe des corps (95) et (105) du rotor. Le rotor est divisé en deux parties assemblées par filetage. La partie filetée (130) raccorde le corps du rotor (95) au corps du rotor (105) par la partie filetée (131) de ce dernier. La partie filetée (132) raccorde le corps de rotor (105) au porte-buses (106) par la partie filetée (133) de ce dernier.
Les figures 19 et 20 représentent une vue en coupe du porte-buses. Le porte buse présente une buse axiale (97) qui vient se visser dans un filetage (134) et deux buses latérales qui viennent se visser dans les filetages (135, 136) .
Les figures 21 et 22 représentent des vues en coupe d'une buse. L'épaulement (140) sert de butée finale de vissage et empêche la face frontale de la buse de dépasser de la
surface extérieure du porte-buses. L'arrondi de jonction (141) entre la partie conique (142) et l'épaulement (140) présente un rayon de 2 mm. L'arrondi de jonction (143) entre la partie conique (142) et la partie cylindrique (145) présentent un rayon d 10 mm. La longueur totale de la buse est de 18 mm et le diamètre intérieur de 5 mm. Deux évidemments ou trous borgnes (150, 151) dans la face frontale permettent, avec une clé appropriée, de terminer son vissage dans la paroi du porte-buses .