EP1120151A1 - Dispositif de mélange d'un gaz secondaire dans un gaz principal - Google Patents

Dispositif de mélange d'un gaz secondaire dans un gaz principal Download PDF

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EP1120151A1
EP1120151A1 EP20000403601 EP00403601A EP1120151A1 EP 1120151 A1 EP1120151 A1 EP 1120151A1 EP 20000403601 EP20000403601 EP 20000403601 EP 00403601 A EP00403601 A EP 00403601A EP 1120151 A1 EP1120151 A1 EP 1120151A1
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EP
European Patent Office
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injectors
pipe
injector
gas
flow
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EP20000403601
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German (de)
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EP1120151B1 (fr
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Fabien Illy
Pierre Avrillier
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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Publication of EP1120151B1 publication Critical patent/EP1120151B1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/10—Mixing gases with gases
    • B01F23/19—Mixing systems, i.e. flow charts or diagrams; Arrangements, e.g. comprising controlling means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/314—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit
    • B01F25/3142—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit the conduit having a plurality of openings in the axial direction or in the circumferential direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • B01F25/30—Injector mixers
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    • B01F25/3142—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit the conduit having a plurality of openings in the axial direction or in the circumferential direction
    • B01F25/31423—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit the conduit having a plurality of openings in the axial direction or in the circumferential direction with a plurality of perforations in the circumferential direction only and covering the whole circumference
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/0318—Processes
    • Y10T137/0324—With control of flow by a condition or characteristic of a fluid
    • Y10T137/0329—Mixing of plural fluids of diverse characteristics or conditions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/0318—Processes
    • Y10T137/0324—With control of flow by a condition or characteristic of a fluid
    • Y10T137/0368—By speed of fluid

Definitions

  • the subject of the present invention is a device and a method mixing an industrial gas in a main gas.
  • the invention relates to a device and a process which allow mixing in adaptable proportions and with great homogeneity a mixture of a secondary gas especially industrial in a main gas, especially industrial.
  • secondary gas or gas primary means not only a pure gas but also a gas premix eg air.
  • gas premix eg air.
  • jet mixers are used. This technique is described in particular in European patent application 0 474 524. It is used for over-oxygenation operations in FCCs, catalytic oxidations or in furnaces (in metallurgy or in the glass or cement industries). This very effective method is limited in the quantities of gas that can be mixed and in its flexibility. Indeed, the ratio between the injected flow or secondary flow and the main flow is generally limited to 10 to 15%. It is impossible to ensure optimal mixing conditions beyond a variation of ⁇ 20% around the nominal injected flow corresponding to the definition of the mixer for a constant primary gas flow.
  • This type of injector is found in the synthesis process ethylene oxide (oxygen injection) or maleic anhydride (injection butane) among others.
  • These mixers are not very flexible and bulky (presence of a large long bundle of small tubes) and do not use the turbulent nature of transverse jet mixers. Like the jets are coaxial, the mixture is mainly diffusional, which penalizes the performance of mixtures.
  • Some devices also include speed control gases injected to allow it to retain its safety even in variable or non-stationary conditions.
  • the modification mechanical the degree of opening of the orifices at the injection point is not easily achievable and requires great care in concerns the shutter mechanism which must work in a sometimes difficult atmosphere (oxygen, reactive gases) where it is better to limit hot spots due to repeated friction or mechanical wear.
  • Some other devices also include means for ensure a constant content of one of the compounds of a mixture.
  • Some devices also include means for ensure the consistency of one of the constituents which will be present downstream of the mixer, for example a product or excess reagent at the outlet a reactor mounted downstream of the mixer.
  • An object of the present invention is to provide a method of gas mixture and a gas mixer which combine the advantages of flexibility and performance of static mixers with low dimensions and safety and performance characteristics of cross jet mixers.
  • the homogeneity of the mixture is ensured due to the multiplicity of injectors and the fact that these injectors are controlled to operate within their optimum flow range.
  • optimum flow range is meant all of the flow rates for which the secondary gas jet will mix so optima with a given main gas flow. This range can be expressed by a range of characteristic energy ratios volume kinetics.
  • the axis of at least some of the injectors done, in the right section of the pipe which contains the injector openings, an angle a between 10 and 70 degrees, preferably between 25 and 45 degrees, from normal to the pipe wall.
  • the mixing device is equipped with an obstacle which is arranged in the mixing zone of the conducted along the longitudinal axis thereof and preferably still the obstacle is connected to the pipe itself by fixing means which are capable of creating a disturbance in the main gas flow.
  • the jets produced by the injectors have an angulation with respect to normal at the wall of the pipe since, due to the presence of the obstacle, the coalescence problems do not arise.
  • FIGS. 1a and 1b a cylindrical pipe 10 has been shown in which the main gas flow circulates A.
  • the pipe 10 defines a length of mixture or mixing zone L.
  • the injectors are all arranged in the same cross section of the pipe.
  • the injectors could be offset, along the axis of the pipe, while remaining in an injection zone whose length is much less than the length of the mixture.
  • the mixing length can be 2, 3 or 4 times the diameter of the pipe.
  • the injectors 12 are regularly arranged on the internal periphery of the pipe.
  • the axes x, x 'of the injectors make, in projection on a plane of cross section of the pipe 10, an angle a with the normal N to the internal wall of the pipe.
  • the angle a is between 10 and 70 degrees and preferably between 25 and 45 degrees.
  • each jet is either contained in the transverse plane of the pipe containing the orifices of outlet of the injectors, or directed upstream of the pipe with respect to this plane by making an angle b with it (see figure 1B) in order to reduce mix length.
  • FIG 2 there is shown the pipe portion 10 in which flows the main gas flow A and there is also shown schematically the injectors 12.
  • a set of valves 14 this set of valves 14 as will be explained later being constituted by valves can be controlled automatically or manually to interrupt the supply of one of the injectors 12 or to supply some of these or all the injectors with a determined flow rate.
  • the main pipe 16 for supplying secondary gas B, the secondary gas being distributed to each injector at through the set 14.
  • a flow sensor 18 for measuring the main gas flow in line 10 as well as a set of control 20 of the valve device 14.
  • the control assembly 20 is also connected to an information input interface 22, for example a keyboard, making it possible to enter the set 20, in particular the percentage of secondary gas in the final mixture.
  • All command 20 is associated with a memory 24 in which are stored in particular control tables indicating the injectors to be supplied to obtain a given percentage of secondary gas as well as the flow which must be applied to injectors supplied.
  • the circuits of the whole 20 from gas percentage information secondary and primary gas flow information, calculate flow secondary gas and determine from the tables in the memory 24 the injectors which must be supplied via the valve device 14, as well as the common flow to be received each of the injectors supplied.
  • Total secondary gas flow can be controlled also from a setpoint which may not be the percentage of secondary gas in the main gas.
  • This instruction can for example be deduced from a measurement carried out on operations downstream of the mixer. In this case, the ratio of the mixture produced by the mixer is not fixed, but it depends on a measure downstream of the mixer.
  • valve assembly 14 we will describe a first embodiment of the valve assembly 14.
  • the supply line 16 is divided into as many unit supply lines 30 as there are injectors 12.
  • On each pipe 30 is mounted a controllable valve 32.
  • the valves are controlled by all command 20 as previously explained.
  • the valves 32 are ordered either all or nothing, or with an opening intermediate corresponding to a flow in the optimum flow range of the injector. This optimum flow depends on the characteristics of the injector, dimensions of the main gas flow and line so that obtain optimum energy for the jet produced by the injector.
  • valve 32 is closed or valve 32 is controlled to the flow rate corresponding to the percentage of secondary gas to be injected. Of plus, all open valves are set to give the same flow supplying the corresponding injectors 12.
  • valve assembly 14 This comprises a valve main regulation 40 on the general gas supply line secondary 16.
  • the unitary pipes 30 are all equipped with a valve 32 controlled by all or nothing.
  • the control assembly 20 controls the valves 32 in all or nothing as already indicated.
  • this assembly controls the general valve 40 in such a way that it delivers the total flow D of secondary gas. This flow is distributed in the various pipes 30 associated with the unit valves 32 open.
  • the injector consists of a bore 50 machined in the wall 52 of the pipe 10. This bore is extended by a sleeve 54 for connection to the supply line 30. In this case, opening the injector opens into the internal surface 10a of the pipe.
  • the injector is constituted by a tubular element 56 engaged in a bore 58 of the wall 52 of the pipe 10.
  • the opening of the injector 56a can protrude outside the internal wall 10a of the pipe 10.
  • Another embodiment of the injectors consists in providing, inside the pipe 10, a closed toric pipe, the wall of which is pierced with orifices constituting the injectors.
  • the pipe is divided by radial partitions in as many internal volumes as there are injectors.
  • Figures 5a and 5b show a second mode of realization of the gas mixing device. This one uses the third embodiment of the injectors.
  • line 10 has a double wall 60 which defines an annular space 61.
  • the pipes supply 30 open into the annular space 61.
  • Partitions radial 63 share the annular space 61 in several volumes injection 65, each volume 65 being supplied by a pipe 30.
  • the internal wall 10 is pierced with orifices 67 constituting the injectors. Of preferably, there is an opening 67 per volume 65.
  • the injectors 67 can all be arranged in the same cross section of line 10. This is shown in the Figures 5a and 5b. It is also possible to offset the injectors 67 along the axis XX 'of the pipe 10. There is then a gas injection zone secondary, this injection zone must be less than that of the mixing zone as defined above.
  • a central obstacle 62 for example of general shape cylindrical (cylindrical, conical, frustoconical, etc.), which is arranged according to the axis X, X 'of the pipe 10.
  • the equivalent diameter of the obstacle is between 10 and 30% of that of the pipe 10.
  • the obstacle 62 is maintained by a radiating structure 64 which constitutes thus an element disrupting the main gas flow in the pipe 10.
  • the axes of the injectors 12 are tilted. Indeed, the presence of an obstacle reduces the risk of coalescence of jets, especially opposing jets.
  • the maximum number of injectors to be supplied is determined from as follows:
  • the number of injectors to supply N1 is equal to N and the flow rate of each injector is D / N.
  • the number N1 of injectors to be supplied is equal to k and the flow rate of each injector is equal to D / N.
  • N1 k if N-k is divisible by k or if k is divisible by N-k.
  • N1 the number immediately below k satisfying this condition.
  • the embodiment of the mixing and setting device work of the mixing process described above, whatever its embodiment, in particular in a wide flow range secondary gas to continuously obtain all flow rates intermediates while ensuring a homogeneous mixture of secondary gas in the primary gas.
  • the optimal arrangement for the mixture to be homogeneous is of course that the injectors supplied are angularly regularly spread over the entire flow range. For angular injectors regularly distributed, this requires that N be divisible by N1. According to different conditions of use, such a condition may not be fulfilled than for a secondary gas flow range.
  • Figure 8 illustrates an arrangement of the injectors which allows complete symmetry of the injectors supplied regardless of the flow rate considered.
  • the injectors identified by the numbers 1 to 12 are angularly offset by an angle at the center of 30 degrees.
  • the injectors numbered 13 to 16 are offset from each other others at an angle to the center of 90 degrees.
  • each injector in the second series was equidistant from two injectors surrounding it from the first series.
  • One possible embodiment is to provide that the injector 13 is offset by 15 degrees with respect to the injector 2, that the injector 14 is offset by 15 degrees with respect to the injector 5 that the injector 15 is offset by 15 degrees relative to the injector 8 and finally that the injector 16 is offset by 15 degrees relative to the injector 11.
  • Table I illustrates an example of application of the mixer defined above.
  • the secondary gas flow rate can be varied continuously between 160 m 3 / h and 1440 m 3 / h while ensuring that each injector is supplied within its optimum operating range, that is to say - say in the case considered between 80 m 3 / h and 120 m 3 / h.
  • the memory 24 associated with the control assembly 20 of the valves contains table 1.
  • the set 20 from the flow information of primary gas determines the total secondary gas flow required and function of the position of this flow in relation to the different ranges of the table I determines which valves should be opened and the flow unit in each of these valves.
  • FIG. 8 corresponds to a optimal realization which allows, as already indicated, a flow nominal secondary gas which can vary continuously by a factor from 1 to 6. It goes without saying that in the case where the secondary gas flow rates do not need to vary continuously but only around discrete values, it is of course possible to decrease the number of injectors. However, in this case, the mode of supply of the injectors is always the same, that is to say that either an injector is not supplied, either it is supplied with a flow rate included in its range of optimal functioning.
  • all injectors have the same optimum flow rate range. In some cases, it might not be so. This could happen if all injectors do not have the same dimensions. This will also happen if the characteristics of the gas delivered by the injectors are not the same. These differences may lie in the nature of the gas injected which may not be the same for all injectors. They can reside in the temperature or pressure characteristics of the gas injected if this gas is supplied from different sources.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mélange d'un gaz secondaire industriel (B) dans un gaz principal industriel (A) Le mélangeur comprend : une conduite (10) d'amenée du gaz principal; N (N >= 2) injecteurs (12) de gaz secondaire dont l'ouverture débouche dans ladite conduite dans la zone de mélange, lesdites ouvertures des injecteurs étant disposées dans une même section droite de la conduite, tous les injecteurs ayant une même plage de débits optima; des moyens par vanne (14) pour contrôler le débit de gaz secondaire dans lesdits injecteurs; et des moyens de commande (20) pour commander lesdits moyens par vanne (14) pour que chaque injecteur soit alimenté avec un débit nul ou avec un débit commun à tous les injecteurs alimentés, ledit débit commun étant compris dans la plage de débits optima. <IMAGE>

Description

La présente invention a pour objet un dispositif et un procédé de mélange d'un gaz industriel dans un gaz principal.
De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif et un procédé qui permettent de mélanger dans des proportions adaptables et avec une grande homogénéité un mélange d'un gaz secondaire notamment industriel dans un gaz principal notamment industriel.
Dans la présente invention, par gaz secondaire ou gaz primaire, il faut entendre non seulement un gaz pur mais également un prémélange de gaz par exemple de l'air. De plus, dans les exemples cités, les débits indiqués doivent s'entendre dans les conditions normales de température et de pression.
Les opérations de mélange sont le plus souvent réalisées à l'aide de mélangeurs statiques qui, à l'aide d'un motif, créent une perte de charge qui provoque le mélange. Ces mélangeurs sont très efficaces mais également très encombrants. Ils ne peuvent pas facilement s'adapter à des installations déjà existantes comme c'est le cas pour les dégoulottages. De plus, ils peuvent constituer un risque de bouchage et de piégeage des particules. La présence de particules de catalyseurs sur le support métallique de mélangeurs statiques a déjà été à l'origine d'accidents et d'explosions par exemple dans la fabrication de l'acide nitrique.
Lorsque l'encombrement du mélangeur doit être limité sans que l'on souhaite pour autant sacrifier le rendement de mélange, on utilise des mélangeurs à jets. Cette technique est notamment décrite dans la demande de brevet européen 0 474 524. Elle est utilisée pour les opérations de suroxygénation dans les FCC, les oxydations catalytiques ou dans des fours (dans la métallurgie ou dans les industries du verre ou du ciment). Cette méthode très efficace est limitée dans les quantités de gaz qu'il est possible de mélanger et dans sa flexibilité. En effet, le rapport entre le débit injecté ou débit secondaire et le débit principal est généralement limité à 10 à 15 %. Il est impossible d'assurer des conditions de mélange optimales au-delà d'une variation de ± 20 % autour du débit injecté nominal correspondant à la définition du mélangeur pour un débit de gaz primaire constant. Conçu comme un outil de dégoulottage, il convient parfaitement pour les opérations continues mais il se révèle inadapté quand l'incertitude sur le débit final injecté est grande. Le même mélangeur par exemple ne peut mélanger efficacement de 200 à 1 200 m3/h, soit un débit injecté pouvant varier de 1 à 6, comme cela peut être souhaitable pour des unités dopées à l'oxygène et la mise en place de plusieurs injecteurs successifs devient coûteuse et d'une mise en oeuvre difficile. Le changement de marche s'il perdure, doit s'accompagner d'un changement d'injecteurs.
Basés sur un principe similaire de jets mais coaxiaux, de nombreux mélangeurs dits de type "râteau" existent pour injecter un gaz combustible dans de l'air ou un oxydant pour limiter le risque d'allumage (ou vice-versa). Ces injecteurs sont basés sur le principe de multiples petits jets coaxiaux avec la veine principale. En limitant le volume de gaz, on limite le volume potentiellement inflammable et la vitesse relativement élevée d'injection du comburant (ou carburant) n'assure pas en principe ni l'accrochage de la flamme, ni un retour de flamme dans l'injecteur.
On trouve ce type d'injecteur dans le procédé de synthèse d'oxyde d'éthylène (injection oxygène) ou d'anhydride maléique (injection butane) entre autres. Ces mélangeurs sont peu flexibles et encombrants (présence d'un long faisceau important de petits tubes) et n'utilisent pas le caractère turbulent des mélangeurs à jets transverses. Comme les jets sont coaxiaux, le mélange est majoritairement diffusionnel, ce qui pénalise les performances de mélanges.
Certains appareils incluent également un contrôle de la vitesse des gaz injectés pour permettre de conserver ses caractéristiques de sécurité même en régime variable ou non stationnaire. La modification mécanique du degré d'ouverture des orifices au point d'injection n'est pas réalisable facilement et nécessite une grande attention en ce qui concerne le mécanisme d'obturation qui doit travailler dans une atmosphère parfois difficile (oxygène, gaz réactifs) où il vaut mieux limiter les points chauds dus aux frottements répétés ou aux usures mécaniques.
Certains autres appareils incluent également des moyens pour assurer une teneur constante d'un des composés d'un mélange.
Certains appareils encore comportent des moyens pour assurer la constance d'un des constituants qui va être présent en aval du mélangeur, par exemple un produit ou l'excédent d'un réactif à la sortie d'un réacteur monté en aval du mélangeur.
Un objet de la présente invention est de fournir un procédé de mélange de gaz et un mélangeur de gaz qui regroupent les avantages de souplesse et de performance des mélangeurs statiques avec le faible encombrement et les caractéristiques de sécurité et de performance des mélangeurs à jets transverses.
Pour atteindre ce but, selon l'invention, le procédé de mélange d'un gaz secondaire dans un gaz principal comprend les étapes suivantes :
  • on forme une veine principale dudit gaz principal ;
  • on règle le débit total de gaz secondaire à injecter en fonction d'une valeur de consigne ;
  • on injecte dans une zone d'injection de ladite veine principale, ladite zone d'injection s'étendant selon la direction de l'axe de ladite veine principale, ledit débit total de gaz secondaire à l'aide d'une pluralité d'injecteurs disposés dans ladite zone d'injection pour former une pluralité de jets de gaz secondaire, chaque injecteur ayant une plage de débits optima ; et
  • on répartit ledit gaz secondaire entre au moins une partie desdits injecteurs de telle manière que chaque injecteur alimenté fonctionne dans sa plage de débits optima.
On comprend que, grâce aux dispositions de l'invention, l'homogénéité du mélange est assurée du fait de la multiplicité des injecteurs et du fait que ces injecteurs sont commandés pour fonctionner dans leur plage de débits optima. On comprend également que, du fait de la multiplicité de ces injecteurs, on peut commander un débit de gaz secondaire s'étendant dans une plage importante sans dégrader la qualité du mélange.
Par plage de débits optima, il faut entendre l'ensemble des débits pour lesquels le jet de gaz secondaire va se mélanger de façon optima avec un débit de gaz principal donné. Cette plage peut être exprimée par un intervalle de rapports caractéristiques d'énergie cinétique volumique.
Il faut noter que ces conditions dynamiques sont fonction de la nature des gaz (densité, masse volumique, masse molaire, viscosité ...) de la pression et de la température opératoire et/ou de fourniture.
Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé, pour pouvoir mélanger au gaz principal un débit D de gaz secondaire compris entre 2 d1, d1 étant la valeur minimale de la plage de débits optima des injecteurs, et Nd2, d2 étant la valeur maximale de la plage de débits optima des injecteurs, on détermine le nombre maximal N1 d'injecteurs à alimenter de la manière suivante :
  • on divise dans l'ensemble des nombres entiers, le débit D par d1, ce qui donne un quotient entier k et un reste r,
  • on compare le quotient k au nombre N d'injecteurs
  • si k ≥ N on prend N1 = N
  • si k < N on prend N1 = k
et en ce que le débit de chacun des N1 injecteurs est égal à D/N1.
On comprend qu'en mettant en oeuvre ce procédé, c'est-à-dire ce programme de commande du débit de chaque injecteur, on peut obtenir un mélange dans des conditions optimales d'un débit de gaz secondaire s'étendant dans une plage très importante et variant de façon continue dans cette plage.
Un autre objet de l'invention est de fournir un dispositif de mélange qui comprend :
  • une conduite (10) d'amenée du gaz principal, ladite conduite comportant une zone d'injection ;
  • N (N ≥ 2) injecteurs (12) de gaz secondaire dont les ouvertures débouchent dans la zone d'injection de ladite conduite chaque injecteur ayant une plage de débits optima ; et
  • des moyens pour répartir le débit total de gaz secondaire entre au moins certains desdits injecteurs pour que chaque injecteur soit alimenté avec un débit nul ou avec un débit compris dans la plage de débits optima dudit injecteur.
Selon un premier mode de mise en oeuvre, l'axe d'au moins certains des injecteurs fait, dans la section droite de la conduite qui contient les ouvertures des injecteurs, un angle a compris entre 10 et 70 degrés, de préférence entre 25 et 45 degrés, par rapport à la normale à la paroi de la conduite.
On comprend que grâce à cette disposition, d'une part la composante tangentielle de chaque jet de gaz secondaire induit un mouvement tourbillonnaire qui favorise le mélange, d'autre part l'angulation des jets permet d'éviter la coalescence des jets entre eux au centre de la canalisation.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de mélange est équipé d'un obstacle qui est disposé dans la zone de mélange de la conduite selon l'axe longitudinal de celle-ci et de préférence encore l'obstacle est relié à la conduite elle-même par des moyens de fixation qui sont aptes à créer une perturbation du flux de gaz principal.
Dans ce cas, il n'est pas nécessaire que les jets produits par les injecteurs présentent une angulation par rapport à la normale à la paroi de la conduite puisque, du fait de la présence de l'obstacle, les problèmes de coalescence ne se présentent pas.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :
  • La figure 1a est une vue en coupe transversale d'un premier mode de réalisation du mélangeur ;
  • la figure 1b est une vue en coupe longitudinale d'un mélangeur du type représenté sur la figure 1a ;
  • la figure 2 montre l'ensemble du dispositif de mélange incluant ses moyens de commande ;
  • la figure 3 montre un premier mode de réalisation d'un injecteur ;
  • la figure 4 montre un deuxième mode de réalisation d'un injecteur ;
  • la figure 5a montre en coupe transversale un deuxième mode de réalisation du dispositif de mélange ;
  • la figure 5b montre en coupe longitudinale un dispositif de mélange du type représenté sur la figure 5a ;
  • la figure 6 montre un premier mode de mise en oeuvre de l'ensemble de commande du mélangeur ;
  • la figure 7 montre un deuxième mode de réalisation de l'ensemble de commande du mélangeur ; et
  • la figure 8 est une vue schématique illustrant un mode de commande préféré des différents injecteurs.
    • En se référant tout d'abord aux figures 1 et 2, on va décrire un premier mode de réalisation du dispositif de mélange et le procédé mis en oeuvre par ce dispositif.
    Sur les figures 1a et 1b, on a représenté une conduite cylindrique 10 dans laquelle circule le débit de gaz principal A. La conduite 10 définit une longueur de mélange ou zone de mélange L. Dans la paroi interne 10a de la conduite débouchent des injecteurs tels que 12 qui seront décrits plus en détail ultérieurement. Selon ce mode de réalisation, les injecteurs sont tous disposés dans une même section droite de la conduite. Dans d'autres modes de réalisation, les injecteurs pourraient être décalés, selon l'axe de la conduite, tout en restant dans une zone d'injection dont la longueur est très inférieure à la longueur de mélange. La longueur de mélange peut être égale à 2, 3 ou 4 fois le diamètre de la conduite. Dans ce mode de réalisation, les injecteurs 12 sont disposés régulièrement sur la périphérie interne de la conduite. Selon une caractéristique de ce mode de réalisation, les axes x, x' des injecteurs font, en projection sur un plan de section droite de la conduite 10, un angle a avec la normale N à la paroi interne de la conduite. L'angle a est compris entre 10 et 70 degrés et de préférence entre 25 et 45 degrés. Ces injecteurs comme on l'expliquera ultérieurement servent à l'alimentation de la conduite avec le gaz secondaire. On comprend que lorsque les axes des injecteurs présentent l'angulation a, les jets de gaz secondaire induisent un mouvement tourbillonnaire qui favorise le mélange du gaz secondaire avec le flux de gaz primaire A.
    En outre, la direction de l'axe xx' de chaque jet est soit contenue dans le plan transversal de la conduite contenant les orifices de sortie des injecteurs, soit dirigée vers l'amont de la conduite par rapport à ce plan en faisant un angle b avec celui-ci (voir figure 1B) afin de réduire la longueur de mélange.
    Sur la figure 2, on a représenté la portion de conduite 10 dans laquelle circule le flux de gaz principal A et on a également représenté schématiquement les injecteurs 12. Sur cette figure, on a également fait apparaítre un ensemble de vannes 14, cet ensemble de vannes 14 comme on l'expliquera ultérieurement étant constitué par des vannes commandables automatiquement ou manuellement pour interrompre l'alimentation d'un des injecteurs 12 ou pour alimenter certains de ceux-ci ou tous les injecteurs avec un débit déterminé. Sur cette figure, on a représenté schématiquement la conduite principale 16 d'alimentation en gaz secondaire B, le gaz secondaire étant réparti vers chaque injecteur à travers l'ensemble 14. Dans une version automatisée du dispositif de mélange, on a représenté également un capteur de débit 18 pour mesurer le débit de gaz principal dans la conduite 10 ainsi qu'un ensemble de commande 20 du dispositif à vannes 14. L'ensemble de commande 20 est également relié à une interface d'entrée d'informations 22, par exemple un clavier, permettant d'entrer dans l'ensemble 20, notamment le pourcentage de gaz secondaire dans le mélange final. L'ensemble de commande 20 est associé à une mémoire 24 dans laquelle sont stockées notamment des tables de commande indiquant les injecteurs à alimenter pour obtenir un pourcentage de gaz secondaire donné ainsi que le débit qui doit être appliqué aux injecteurs alimentés. Les circuits de l'ensemble de commande 20, à partir de l'information de pourcentage de gaz secondaire et de l'information de débit de gaz principal, calculent le débit de gaz secondaire et déterminent à partir des tables contenues dans la mémoire 24 les injecteurs qui doivent être alimentés par l'intermédiaire du dispositif à vannes 14, ainsi que le débit commun que doit recevoir chacun des injecteurs alimentés.
    Le débit total de gaz secondaire peut être commandé également à partir d'une valeur de consigne qui peut ne pas être le pourcentage de gaz secondaire dans le gaz principal. Cette consigne peut par exemple être déduite d'une mesure effectuée sur des opérations effectuées en aval du mélangeur. Dans ce cas, le rapport du mélange produit par le mélangeur n'est pas fixe, mais il dépend d'une mesure effectuée en aval du mélangeur.
    En se référant maintenant à la figure 6, on va décrire un premier mode de réalisation de l'ensemble de vannes 14. Sur cette figure, on a représenté la canalisation d'amenée du gaz secondaire 16, ainsi que les différents injecteurs 12. La canalisation d'amenée 16 se divise en autant de conduites d'alimentation unitaires 30 qu'il y a d'injecteurs 12. Sur chaque conduite 30 est montée une vanne commandable 32. Dans une version automatisée, les vannes sont commandées par l'ensemble de commande 20 comme cela a été expliqué précédemment. Les vannes 32 sont commandées soit en tout ou rien, soit avec une ouverture intermédiaire correspondant à un débit dans la plage de débits optima de l'injecteur. Ce débit optimum dépend des caractéristiques de l'injecteur, des dimensions de la conduite et du débit de gaz principal de manière à obtenir pour le jet produit par l'injecteur une énergie optimale. En d'autres termes soit la vanne 32 est fermée, soit la vanne 32 est commandée pour le débit correspondant au pourcentage de gaz secondaire à injecter. De plus, toutes les vannes ouvertes sont réglées pour donner un même débit d'alimentation des injecteurs 12 correspondants.
    Sur la figure 7, on a représenté un deuxième mode de réalisation de l'ensemble de vannes 14. Celui-ci comprend une vanne de régulation principale 40 sur la conduite générale d'alimentation en gaz secondaire 16. Les canalisations unitaires 30 sont toutes équipées d'une vanne 32 à commande par tout ou rien. L'ensemble de commande 20 contrôle les vannes 32 en tout ou rien comme on l'a déjà indiqué. En outre, cet ensemble commande la vanne générale 40 de telle manière qu'elle délivre le débit D total de gaz secondaire. Ce débit se répartit dans les différentes canalisations 30 associées aux vannes unitaires 32 ouvertes.
    Sur les figures 3 et 4, on a représenté deux modes de réalisation des injecteurs. Selon le mode de réalisation de la figure 3, l'injecteur consiste en un alésage 50 usiné dans la paroi 52 de la conduite 10. Cet alésage est prolongé par un manchon 54 de raccordement à la conduite 30 d'alimentation. Dans ce cas, l'ouverture de l'injecteur débouche dans la surface interne 10a de la conduite.
    Dans le cas du mode de réalisation de la figure 4, l'injecteur est constitué par un élément tubulaire 56 engagé dans un alésage 58 de la paroi 52 de la conduite 10. Dans ce cas, l'ouverture de l'injecteur 56a peut faire saillie hors de la paroi interne 10a de la conduite 10.
    Un autre mode de réalisation des injecteurs consiste à prévoir, à l'intérieur de la conduite 10, une conduite torique fermée, dont la paroi est percée d'orifices constituant les injecteurs. La conduite est divisée par des cloisons radiales en autant de volumes internes qu'il y a d'injecteurs.
    Chaque volume interne est alimenté individuellement. Sur les figures 1a à 5a, c'est cette solution qui est représentée.
    Sur les figures 5a et 5b, on a représenté un deuxième mode de réalisation du dispositif de mélange de gaz. Celui-ci utilise le troisième mode de réalisation des injecteurs.
    Dans la zone d'injection, la conduite 10 comporte une double paroi 60 qui définit un espace annulaire 61. Les conduites d'alimentation 30 débouchent dans l'espace annulaire 61. Des cloisons radiales 63 partagent l'espace annulaire 61 en plusieurs volumes d'injection 65, chaque volume 65 étant alimenté par une conduite 30. La paroi interne 10 est percée d'orifices 67 constituant les injecteurs. De préférence, il y a un orifice 67 par volume 65. Cependant, dans certains cas, il est possible de prévoir plusieurs injecteurs alimentés par le même volume 65. Ce sera le cas si deux injecteurs doivent toujours délivrer le même débit.
    Les injecteurs 67 peuvent tous être disposés dans une même section droite de la conduite 10. C'est ce qui est représenté sur les figures 5a et 5b. Il est également possible de décaler les injecteurs 67 selon l'axe XX' de la conduite 10. On a alors une zone d'injection du gaz secondaire, cette zone d'injection devant avoir une longueur inférieure à celle de la zone de mélange telle qu'on l'a définie précédemment.
    Dans ce mode de réalisation, on trouve de plus dans la zone de mélange L un obstacle central 62, par exemple de forme générale cylindrique (cylindrique, conique, tronconique, etc.), qui est disposé selon l'axe X, X' de la conduite 10. De préférence, le diamètre équivalent de l'obstacle est compris entre 10 et 30% de celui de la conduite 10. L'obstacle 62 est maintenu par une structure rayonnante 64 qui constitue ainsi un élément perturbateur du débit de gaz principal dans la conduite 10. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire que les axes des injecteurs 12 soient inclinés. En effet, la présence d'un obstacle diminue le risque de coalescence des jets, en particulier des jets en opposition.
    Selon l'invention, on peut optimiser la commande des différents injecteurs afin de rendre le mélange le plus homogène possible, dans le cas où l'on veut avoir un débit continûment variable entre 2d1 et Nd2, d1 étant la limite inférieure de débit de la plage de débits optima, d2 étant le débit maximum de cette même plage et N le nombre total d'injecteurs.
    Le nombre maximum d'injecteurs à alimenter est déterminé de la manière suivante :
    Si D est le débit total de gaz secondaire, on divise, dans l'ensemble des entiers, D par d1, ce qui donne un quotient k et un reste r.
    Si k ≥ N, le nombre d'injecteurs à alimenter N1 est égal à N et le débit de chaque injecteur est D/N.
    Si k < N, le nombre N1 d'injecteurs à alimenter est égal à k et le débit de chaque injecteur est égal à D/N.
    Si l'on veut améliorer encore l'homogénéité du mélange, en imposant par exemple que les injecteurs alimentés soient diamétralement opposés deux à deux, il faut d'abord choisir N pair et décaler angulairement les injecteurs de façon régulière (360/N degrés).
    On ajoute la condition que N-N1 soit divisible par N1 ou que N1 soit divisible par N-N1.
    On choisit alors N1 = k si N-k est divisible par k ou si k est divisible par N-k.
    Dans le cas contraire, on choisit pour N1 le nombre immédiatement inférieur à k satisfaisant à cette condition.
    Le mode de réalisation du dispositif de mélange et de mise en oeuvre du procédé de mélange décrit précédemment, quel que soit son mode de réalisation, permet en particulier dans une large plage de débit de gaz secondaire d'obtenir de façon continue tous les débits intermédiaires tout en assurant un mélange homogène du gaz secondaire dans le gaz primaire.
    La disposition optimale pour que le mélange soit homogène est bien sûr que les injecteurs alimentés soient angulairement régulièrement repartis pour toute la plage de débit. Pour des injecteurs angulairement régulièrement répartis, cela impose que N soit divisible par N1. Selon les différentes conditions d'utilisation, une telle condition peut n'être remplie que pour une plage de débit de gaz secondaire.
    La figure 8 illustre une disposition des injecteurs qui permet une symétrie complète des injecteurs alimentés quel que soit le débit envisagé. Sur la figure 8, on a repéré par les nombres de 1 à 16 les positions des différents injecteurs. Les injecteurs repérés par les nombres 1 à 12 sont décalés angulairement d'un angle au centre de 30 degrés. Les injecteurs numérotés 13 à 16 sont décalés les uns des autres d'un angle au centre de 90 degrés. De plus, chaque injecteur de la deuxième série était équidistant de deux injecteurs qui l'entourent de la première série. Un mode de réalisation possible est de prévoir que l'injecteur 13 soit décalé de 15 degrés par rapport à l'injecteur 2, que l'injecteur 14 soit décalé de 15 degrés par rapport à l'injecteur 5 que l'injecteur 15 soit décalé de 15 degrés par rapport à l'injecteur 8 et enfin que l'injecteur 16 soit décalé de 15 degrés par rapport à l'injecteur 11.
    Le tableau I illustre un exemple d'application du mélangeur défini ci-dessus.
    Sur le tableau I, on a représenté pour les différentes plages de débit comprises entre 160 et 1 440 m3/h dans la colonne de gauche le débit total fourni par les injecteurs, dans la colonne intermédiaire le nombre d'injecteurs alimentés et dans la colonne de droite le numéro des injecteurs effectivement alimentés et tels qu'ils sont repérés sur la figure 8.
    Débit Total Orifices Actifs N1 No. Des Orifices Actifs
    160-240 2 1, 7
    240-360 3 1, 5, 9
    320-480 4 1,4,7, 10
    480-720 6 1, 3, 5, 7, 9, 11
    640-960 8 1, 13, 4, 14, 7, 15, 10, 16
    960-1440 12 1 à 12
    On voit qu'ainsi on peut faire varier de façon continue le débit de gaz secondaire entre 160 m3/h et 1 440 m3/h tout en assurant que chaque injecteur soit alimenté dans sa plage de fonctionnement optimale, c'est-à-dire dans le cas considéré entre 80 m3/h et 120 m3/h.
    On comprend que dans ce cas, la mémoire 24 associée à l'ensemble de commande 20 des vannes contient le tableau 1. Lorsqu'à l'aide du dispositif d'interface 22, on entre le pourcentage de gaz secondaire à injecter, l'ensemble 20 à partir de l'information de débit de gaz primaire détermine le débit total de gaz secondaire nécessaire et en fonction de la position de ce débit par rapport aux différentes plages du tableau I détermine les vannes qui doivent être ouvertes et le débit unitaire dans chacune de ces vannes.
    Le mode de réalisation illustré par la figure 8 correspond à une réalisation optimale qui permet, comme on l'a déjà indiqué, un débit nominal de gaz secondaire pouvant varier de façon continue d'un facteur de 1 à 6. Il va de soi que dans le cas où les débits de gaz secondaire n'ont pas besoin de varier de façon continue mais seulement autour de valeurs discrètes, il est bien sûr possible de diminuer le nombre des injecteurs. Cependant, dans ce cas, le mode d'alimentation des injecteurs est toujours le même, c'est-à-dire que soit un injecteur n'est pas alimenté, soit il est alimenté avec un débit compris dans sa plage de fonctionnement optimal. On comprend que grâce à ces dispositions, on obtient effectivement un mélange homogène du gaz secondaire dans le gaz primaire du fait d'une part que les injecteurs sont régulièrement répartis sur la périphérie de la conduite du mélangeur et que d'autre part, chaque injecteur fonctionne dans sa plage de fonctionnement optimale.
    Dans l'exemple de mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, tous les injecteurs ont la même plage de débits optima. Dans certains cas, il pourrait ne pas en être ainsi. Cela pourra se produire si tous les injecteurs n'ont pas les mêmes dimensions. Cela se produira également si les caractéristiques du gaz délivré par les injecteurs ne sont pas les mêmes. Ces différences peuvent résider dans la nature du gaz injecté qui peut ne pas être le même pour tous les injecteurs. Elles peuvent résider dans les caractéristiques de température ou de pression du gaz injecté si ce gaz est fourni à partir de différentes sources.

    Claims (25)

    1. Procédé pour mélanger un gaz secondaire avec un gaz principal, à l'aide d'injecteurs, comprenant les étapes suivantes :
      on forme une veine principale dudit gaz principal ;
      on règle le débit total de gaz secondaire à injecter en fonction d'une valeur de consigne ;
      on injecte dans une zone d'injection de ladite veine principale, ladite zone d'injection s'étendant selon la direction de l'axe de ladite veine principale, ledit débit total de gaz secondaire à l'aide d'une pluralité d'injecteurs disposés dans ladite zone d'injection pour former une pluralité de jets de gaz secondaire, chaque injecteur ayant une plage de débits optima ; et
      on répartit ledit gaz secondaire entre au moins une partie desdits injecteurs de telle manière que chaque injecteur alimenté fonctionne dans sa plage de débits optima.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque injecteur a la même plage de débits optima.
    3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits injecteurs sont tous sensiblement disposés dans un même plan orthogonal à l'axe de ladite veine principale.
    4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'axe d'au moins certains des injecteurs (12) fait, dans la section droite de la veine de gaz principal qui contient les ouvertures des injecteurs, un angle a compris entre 10 et 70 degrés avec la normale à la paroi de la conduite.
    5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit angle a est compris entre 25 et 45 degrés.
    6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dispose, de plus, un obstacle dans la zone de mélange de ladite veine de gaz principal selon l'axe longitudinal de ladite veine.
    7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on crée une perturbation de la veine de gaz principal dans la zone contenant ledit obstacle.
    8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour pouvoir mélanger au gaz principal un débit D de gaz secondaire compris entre 2 d1, d1 étant la valeur minimale de la plage de débits optima des injecteurs, et Nd2, d2 étant la valeur maximale de la plage de débits optima des injecteurs, caractérisé en ce qu'on détermine le nombre maximal N1 d'injecteurs à alimenter de la manière suivante :
      on divise dans l'ensemble des nombres entiers, le débit D par d1, ce qui donne un quotient entier k et un reste r,
      on compare le quotient k au nombre N d'injecteurs
      si k ≥ N on prend N1 = N
      si k < N on prend N1 = k
      et en ce que le débit de chacun des N1 injecteurs est égal à D/N1.
    9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les N injecteurs sont angulairement régulièrement répartis, caractérisé en ce que, pour déterminer le nombre N1 d'injecteurs alimentés, on ajoute la condition que N - N1 soit divisible par N1 ou que N1 soit divisible par N - N1, de telle manière que les injecteurs alimentés soient diamétralement opposés deux à deux,
      et on choisit pour N1 le nombre k si N - k est divisible par k ou si k est divisible par N - k
      dans le cas contraire, on choisit pour N1 le nombre entier immédiatement inférieur à k satisfaisant à cette condition.
    10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les injecteurs sont angulairement régulièrement répartis et en ce qu'on choisit N1 de telle manière que N soit divisible par N1.
    11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on a choisi le nombre d'injecteurs N égal à 16, en ce qu'on répartit 12 des 16 injecteurs régulièrement avec un écart angulaire égal à 30 degrés et en ce qu'on répartit les 4 autres injecteurs à 90 degrés les uns des autres de telle manière que chacun des quatre injecteurs soit à égale distance angulaire de deux des douze premiers injecteurs, par quoi les injecteurs alimentés sont angulairement régulièrement répartis.
    12. Dispositif de mélange d'un gaz secondaire dans un gaz principal comprenant :
      une conduite (10) d'amenée du gaz principal, ladite conduite comportant une zone d'injection ;
      N (N ≥ 2) injecteurs (12) de gaz secondaire dont les ouvertures débouchent dans la zone d'injection de ladite conduite chaque injecteur ayant une plage de débits optima ; et
      des moyens pour répartir le débit total de gaz secondaire entre au moins certains desdits injecteurs pour que chaque injecteur soit alimenté avec un débit nul ou avec un débit compris dans sa plage de débits optima dudit injecteur.
    13. Dispositif de mélange selon la revendication 12, caractérisé en ce que tous les injecteurs ont leurs ouvertures qui débouchent sensiblement dans une même section droite de la conduite.
    14. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que tous les injecteurs ont la même plage de débits optima.
    15. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les moyens de répartition comprennent :
      des moyens par vanne (14) pour contrôler le débit de gaz secondaire dans lesdits injecteurs ; et
      des moyens de commande (20) pour commander lesdits moyens par vanne (14) pour que chaque injecteur soit alimenté avec un débit nul ou avec un débit commun à tous les injecteurs alimentés, ledit débit commun étant compris dans la plage de débits optima.
    16. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que l'axe d'au moins certains des injecteurs (12) fait, dans la section droite de la conduite qui contient les ouvertures des injecteurs, un angle a compris entre 10 et 70 degrés avec la normale à la paroi de la conduite.
    17. , Dispositif de mélange selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit angle a est compris entre 25 et 45 degrés.
    18. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, un obstacle (62) disposé dans la zone de mélange de ladite conduite (10) selon l'axe longitudinal de ladite conduite.
    19. Dispositif de mélange selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens de fixation (64) dudit obstacle (62) à la conduite, aptes à créer une perturbation du flux de gaz principal.
    20. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 18 et 19, caractérisé en ce que les axes des injecteurs (12) sont sensiblement normaux à la paroi dans le plan de section droite qui contient les ouvertures des injecteurs.
    21. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 16 à 20, caractérisé en ce que les axes des injecteurs (12) sont dans le plan de section droite contenant les ouvertures des injecteurs ou dirigés vers l'amont de ladite conduite par rapport audit plan.
    22. Dispositif de mélange selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits moyens par vanne (14) comprennent N vannes (32) commandables par tout ou rien, chaque vanne étant associée à un injecteur et une vanne principale (40) apte à régler le débit d'alimentation total desdites vannes à N' fois un débit compris dans ladite plage de débits optima, N' étant le nombre des vannes non fermées.
    23. Dispositif de mélange selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits moyens par vanne (14) comprennent N vannes (32), chaque vanne étant associée à un injecteur (12), chaque vanne étant commandable pour laisser passer un débit nul ou un débit compris dans ladite plage.
    24. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend N - 1 injecteurs (12) dont l'axe fait ledit angle a avec la normale à la paroi de la conduite et un injecteur dont l'axe est normal à la paroi de la conduite.
    25. Dispositif de mélange selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que le nombre N d'injecteurs (12) est égal à 16, et en ce que 12 des 16 injecteurs sont angulairement régulièrement répartis sur la périphérie de la conduite avec un écart angulaire égal à 30 degrés et en ce que les quatre autres injecteurs sont régulièrement angulairement répartis avec un écart angulaire égal à 90 degrés de telle manière que chacun des quatre injecteurs soit à égale distance angulaire de deux des douze premiers injecteurs.
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