Qu'est-ce qu'un purificateur de fioul ?
Un séparateur centrifuge, également connu sous le nom de « centrifugeuse », est une machine conçue pour séparer les phases d'un fluide en fonction de la densité. Le terme « séparateur centrifuge » est dérivé du principe de fonctionnement de la machine, qui repose sur la force centrifuge. Les purificateurs et les clarificateurs sont des variantes de séparateurs centrifuges.
Cet article se concentre sur les purificateurs de fioul utilisés dans le secteur maritime. Tout au long de cet article, le terme « fioul » peut être remplacé par « fluide », permettant d'appliquer les connaissances et principes de fonctionnement à d'autres applications et industries, par exemple purificateur d'huile de lubrification au lieu de purificateur de fioul. Pour approfondir vos connaissances sur les purificateurs de fioul après avoir lu cet article, veuillez consulter notre cours vidéo en ligne sur les bases des purificateurs et clarificateurs.
Remarque : Les termes « séparateur centrifuge » et « centrifugeuse » sont souvent utilisés de manière interchangeable ; il n'y a pas de différence entre les deux en dehors de la terminologie.
Applications des Séparateurs Centrifuges
La séparation d'un fluide en ses différentes phases est essentielle dans de nombreux processus d'ingénierie, certains exemples courants incluent :
- Extraction des solides et de l'eau du fioul (eau du diesel, etc.).
- Extraction de la matière grasse du lait pour produire du lait écrémé (la matière grasse retirée est vendue comme crème).
- Extraction des gommes et de la lécithine de l'huile végétale (améliore la qualité de l'huile, les gommes sont vendues comme sous-produit).
- Extraction de l'eau des vêtements mouillés (machines à laver).
Système de Fioul Marin
Cet article se concentre sur les purificateurs de fioul utilisés dans le système de fioul d'un navire, c'est-à-dire les purificateurs qui retirent l'eau et les impuretés du fioul. Un système typique de fioul pour un grand navire commercial (porte-conteneurs, pétrolier, etc.) est illustré ci-dessous. Les « centrifugeuses » peuvent être soit des purificateurs, soit des clarificateurs, selon les besoins du système.
Système de Fioul pour Navire Commercial
Les navires commerciaux brûlaient traditionnellement du fioul lourd (HFO), mais cela a changé au cours de la dernière décennie en raison de nouvelles législations sur la protection de l'environnement. Un navire brûlant du diesel n'aura pas besoin de chauffages dans le système de fioul, car le fioul s'écoule facilement dans la plupart des conditions (faible viscosité). Le fioul lourd nécessite des chauffages dans les réservoirs de fioul et tout réservoir de stockage intermédiaire par la suite en raison de sa haute viscosité (haute résistance à l'écoulement, c'est-à-dire qu'il est « épais » à des températures plus basses et ne s'écoule pas facilement).
Quelle est la différence entre un purificateur et un clarificateur ?
Les purificateurs et clarificateurs sont des types de séparateurs centrifuges. Un purificateur est conçu pour séparer les phases d'un fluide et les impuretés. Un clarificateur est conçu pour séparer uniquement les impuretés. Par exemple, un purificateur de fioul séparera l'eau du fioul, qui représentent différentes phases du fluide, et il séparera également les impuretés solides telles que les particules de rouille, les particules de fer, les particules d'aluminium, etc. du fioul. Un clarificateur ne séparera que les impuretés solides du fioul, il ne séparera pas l'eau du fioul.
Flux de Fluide dans et hors d'un Purificateur
L'image ci-dessus montre un purificateur alimenté en fioul sale. L'huile propre et l'eau sont continuellement évacuées du purificateur (flèches vers le bas). Les solides/impuretés dans le fioul sale s'accumuleront dans le purificateur et doivent être retirés périodiquement.
Comparaison entre Purificateur et Clarificateur
Il existe plusieurs différences importantes entre un purificateur et un clarificateur :
- Les purificateurs ont un disque de gravité, les clarificateurs n'en ont pas.
- Les purificateurs nécessitent de l'eau de scellement, les clarificateurs non.
- Les purificateurs séparent l'eau et les impuretés, les clarificateurs séparent uniquement les impuretés.
Pièces Internes du Purificateur de Fioul
Les pièces internes d'un purificateur peuvent être grossièrement divisées entre jetables et non jetables. Les pièces jetables sont les joints et les joints toriques ; les pièces non jetables sont toutes les autres pièces. Les pièces internes courantes d'un purificateur de fioul auto-débourbeur sont illustrées ci-dessous.
Pièces Internes du Purificateur de Fioul
Les pièces internes d'un purificateur de fioul se composent de :
- Bague de Verrouillage (« Bague de Verrouillage ») – une bague de verrouillage supérieure et inférieure. La bague de verrouillage supérieure est appelée « grande bague de verrouillage » tandis que la bague de verrouillage inférieure est appelée « petite bague de verrouillage ».
IMPORTANT
Les bagues de verrouillage ont un filetage à gauche, c'est-à-dire qu'elles doivent être tournées à gauche pour les serrer, et à droite pour les desserrer. D'autres pièces internes utilisent également un filetage à gauche !
- Capot de Bol – se fixe au corps du bol pour former un récipient scellé.
- Disque Supérieur – retient le tuyau d'entrée et de sortie, les disques de parage, et le disque de gravité, en position au-dessus de l'empilement de disques.
- Tuyau d'Entrée et de Sortie – les fluides entrent dans le bol et sont évacués du bol par cette connexion.
- Disque de Gravité – définit l'interface entre le fioul et l'eau dans le purificateur. Les clarificateurs n'ont pas de disque de gravité car ils ne séparent pas l'eau du fioul.
- Disques de Bol – les disques de bol sont pressés ensemble sur le distributeur pour former un empilement de disques.
- Auto-débourbage – la glissière de décharge, la glissière de fonctionnement, le support, et l'anneau d'eau de fonctionnement, sont tous utilisés pour contrôler l'opération de débourbage d'un purificateur auto-débourbeur (discuté plus loin dans l'article).
- Corps du Bol – forme la partie inférieure du récipient scellé; la partie supérieure du récipient est le capot de bol.
Toutes les pièces d'un purificateur de fioul doivent être fabriquées avec des tolérances précises en raison des vitesses de fonctionnement élevées auxquelles elles opèrent. Toute imperfection présente sur les pièces internes causera des déséquilibres lorsque le purificateur est en fonctionnement, avec des effets délétères correspondants sur le purificateur. Chacune des pièces d'un purificateur a un code de fabrication estampé/embossé sur leur surface pour garantir qu'une pièce de rechange appropriée puisse être obtenue du fabricant (le fabricant équilibre chacune des pièces à l'usine et enregistre leurs caractéristiques). Les pièces de purificateur ne doivent jamais être partagées entre les machines !
Pièces Externes du Purificateur de Fioul
L'apparence externe de chaque purificateur de fioul diffère considérablement, cependant, il y a quelques pièces communes présentes sur la plupart des purificateurs.
Pièces Externes du Purificateur de Fioul
Certaines des pièces les plus pertinentes sont discutées plus en détail ci-dessous.
- Frein – pour ralentir la machine. Le frein doit être appliqué lorsque le purificateur ne tourne plus, ou lorsqu'il tourne à une vitesse très lente.
- Système d'Huile – composé du bouchon de vidange, du bouchon de remplissage, et du voyant de niveau d'huile. L'huile de lubrification est ajoutée par le bouchon de remplissage et vidangée par le bouchon de vidange. Un voyant de niveau d'huile est prévu pour vérifier visuellement le niveau d'huile (le niveau d'huile doit être entre les marquages minimum et maximum sur le voyant).
- Compteur de Vitesse – affichant la vitesse de rotation de l'unité en tours par minute (tr/min).
- Moteur d'Entraînement – un moteur à induction électrique connecté via des engrenages ou une courroie à l'arbre d'entraînement du purificateur. La vitesse de rotation du moteur est généralement régulée au moyen d'un variateur de vitesse (VSD)/variateur de fréquence (VFD).
- Connexions – pour le fioul sale, l'eau, et le fioul propre.
Entraînements du Purificateur de Fioul
Les purificateurs de fioul peuvent être entraînés par engrenages ou par courroie. L'agencement d'un purificateur entraîné par engrenages est ci-dessous.
Purificateur de Fioul Entraîné par Engrenages
Les purificateurs de fioul entraînés par courroie sont également assez courants ; un agencement est montré ci-dessous.
Purificateur de Fioul Entraîné par Courroie
Les engrenages dans un purificateur de fioul sont fabriqués en acier inoxydable et ne s'usent pas considérablement avec le temps, ils sont donc rarement remplacés. Les courroies doivent être remplacées fréquemment car elles s'usent avec le temps et perdent leur résistance à la traction, ce qui les amène à s'étendre (s'allonger).
Théorie du Purificateur de Fioul
Pour comprendre comment fonctionne un purificateur -en fait comment fonctionne n'importe quelle centrifugeuse-, il est nécessaire de comprendre le concept de densité et de force centrifuge.
Densité
La densité peut être décrite comme le poids de quelque chose par rapport à son volume. Un objet lourd (grand poids) avec un petit volume est considéré comme ayant une densité élevée. Un objet léger (poids faible) avec un grand volume est considéré comme ayant une densité faible. Par exemple, le plomb métallique est considéré comme très dense car il a un rapport poids/volume élevé.
Si deux fluides de densités différentes sont mélangés ensemble, ils se sépareront par densité s'ils sont laissés sans agitation. Le schéma ci-dessous montre un réservoir rempli de fioul sale, c'est-à-dire de fioul contenant de l'eau et des impuretés.
Réservoir de Fioul
Le processus ci-dessus peut être décrit comme :
- L'image de gauche montre le réservoir de fioul plein de fioul sale.
- L'image du milieu montre l'état du réservoir après avoir attendu un certain temps, par exemple 24 heures.
- L'image de droite montre l'état du réservoir une fois que l'eau a été vidangée du réservoir.
En regardant l'image du milieu, on remarque que l'eau dans le fioul s'est accumulée à la base du réservoir car elle est plus dense que le fioul. Les fluides plus légers seront toujours déplacés par les fluides plus denses s'ils sont laissés sans agitation, c'est-à-dire que les fluides plus denses coulent sous les fluides plus légers. L'eau est généralement considérée comme « lourde » et la plupart des fiouls -et des huiles végétales- seront déplacés par elle s'ils sont mélangés ensemble dans un récipient. Le type de séparation décrit est appelé « séparation par gravité », ou « séparation due à la gravité ».
Huile Végétale Déplacée par l'Eau
Force Centrifuge
La force centrifuge n'est pas une vraie force, c'est une force fictive (non vraie) utilisée pour expliquer la deuxième loi du mouvement de Newton. La deuxième loi du mouvement de Newton est décrite comme :
Le changement de mouvement d'un objet est proportionnel à la force imprimée ; et est effectué dans la direction de la ligne droite dans laquelle la force est imprimée.
Pour des raisons d'ingénierie, il est préférable d'imaginer que la force centrifuge est la force extérieure exercée sur un objet en rotation. Par exemple, l'image ci-dessous montre deux forces agissant sur la Terre, centripète et centrifuge. Si la force centripète provoque l'attraction de la Terre vers le soleil, une autre force est nécessaire pour maintenir la Terre dans son orbite ; cette force est la force centrifuge.
IMPORTANT – l'explication donnée ci-dessus n'est pas strictement correcte en termes de physique newtonienne, mais une explication plus approfondie dépasse le cadre de cet article.
Forces Centrifuge et Centripète
Il est possible d'augmenter la force centrifuge exercée sur un objet en augmentant sa vitesse de rotation. Lorsqu'un objet est retenu à un point central et qu'une force est appliquée, l'objet tournera autour de ce point, car les forces centripète et centrifuge sont équilibrées. Si l'objet devient non retenu, il se déplacera sur un chemin à angle droit par rapport au point de rotation ; cela peut être démontré dans l'image ci-dessous d'un homme faisant tourner un enfant en cercles.
Exemple de Force Centrifuge
On peut voir que lorsqu'un objet tourne à grande vitesse, des forces agissent sur cet objet. Lorsqu'un fluide tourne à grande vitesse, des forces agissent sur le fluide provoquant la séparation du fluide en ses différentes phases. Les phases plus denses s'éloignent davantage du point de rotation et déplacent les phases plus légères dans le processus. Par exemple, si un récipient cylindrique scellé était plein de fioul sale et tournait très rapidement le long de son axe central, les molécules d'eau se déplaceraient vers l'extérieur du récipient et les molécules d'huile seraient forcées vers le centre du récipient ; les impuretés denses dans le fioul sale déplaceraient l'eau et s'accumuleraient sur la périphérie la plus externe du récipient.
Séparation du Purificateur de Fioul
Comment Fonctionnent les Purificateurs de Fioul (Basique)
Un purificateur de fioul est un récipient scellé qui est tourné à grande vitesse par un moteur électrique. Un fluide est introduit dans le récipient et le mouvement de rotation (énergie cinétique) du récipient est transféré au fluide. Au fur et à mesure que l'énergie est transmise au fluide, il commence à se séparer en ses phases (eau et huile) en raison de leurs différences de densité ; les impuretés s'accumulent sur la périphérie externe du récipient car ce sont les particules les plus lourdes en suspension dans le fluide. L'eau et le fioul propre sont continuellement évacués du purificateur, tandis que les impuretés sont retirées périodiquement.
Remarque - le « récipient » est formé en serrant ensemble le corps du bol et le capot du bol.
Comment Fonctionne le Purificateur de Fioul (Détaillé)
Le fioul sale est introduit dans le purificateur via l'entrée de fioul sale. Le fioul sale entre dans le couvercle du purificateur et s'écoule vers le bas à travers le distributeur et sort par sa base. De la base du distributeur, le fioul sale s'écoule vers le haut à travers l'empilement de disques. L'écoulement à travers l'empilement de disques se fait par de petits trous situés sur la périphérie externe de chacun des disques.
Composants Internes du Purificateur de Fioul
La séparation de l'eau et des impuretés se produit entre les disques de l'empilement de disques. Les molécules d'eau coalescent sur le dessous de chaque disque et se déplacent vers l'extérieur vers la périphérie du bol ; les particules étrangères et autres impuretés se déplacent également vers la périphérie du bol. Le « fioul propre » (fioul sans eau ni impuretés) se déplace vers le haut de l'empilement de disques et est extrait par la connexion de décharge d'huile propre.
Empilement de Disques du Purificateur
L'eau s'accumule sur la surface interne du bol du purificateur jusqu'à ce qu'elle ait un volume suffisant pour s'écouler autour du disque de gravité et sortir par la connexion de décharge d'eau. Un filet d'eau provenant de la connexion de décharge d'eau peut souvent être vu lorsque le purificateur est en fonctionnement, mais la quantité d'eau séparée dépend fortement du type de fioul et de sa teneur en eau.
Sorties d'Eau et de Fioul Propre
Les impuretés s'accumulent sur la surface interne du bol du purificateur et peuvent être évacuées automatiquement via l'auto-débourbage, ou doivent être retirées manuellement.
Maintenance du Purificateur
Les purificateurs et clarificateurs nécessitent relativement peu de maintenance. Les interventions de maintenance sont classées comme étant soit « mineures » soit « majeures », et celles-ci se produisent à des intervalles programmés basés sur le temps (heures de service) ou la date (jours depuis le dernier service, indépendamment des heures de service).
Entretien Mineur
Un entretien mineur nécessitera uniquement que le purificateur soit nettoyé et que les joints et/ou les joints toriques soient remplacés. Les pièces de rechange nécessaires pour un entretien mineur sont fournies dans un Kit d'Entretien Mineur.
Entretien Majeur
Un entretien majeur comprend un entretien mineur et d'autres tâches supplémentaires. Un entretien majeur nécessite l'utilisation de nombreuses autres pièces de rechange, telles que des roulements et des arbres, etc. Les pièces de rechange nécessaires pour un entretien majeur sont fournies dans un Kit d'Entretien Majeur.
Pourquoi utiliser des centrifugeuses au lieu de la séparation par gravité ?
Le processus de séparation par gravité est trop lent pour être utilisé dans la plupart des processus industriels. De nombreux processus industriels nécessitent de grands volumes continus de fluides, et il n'est pas possible d'y parvenir en se basant uniquement sur la séparation par gravité. En dehors des faibles volumes, la qualité de la sortie est également difficile à déterminer par rapport à l'utilisation d'une centrifugeuse.
La séparation centrifuge se produit parce que les effets de la gravité sont simulés et amplifiés dans le purificateur. Lorsqu'un purificateur tourne à grande vitesse, les phases de fluide dans le purificateur se séparent en raison des forces accrues auxquelles elles sont soumises. Les astronautes vivent une situation similaire lorsqu'ils sont soumis à une force gravitationnelle accrue (force g) dans le cadre de leur formation pour entrer dans l'espace. Ils sont placés dans un cockpit et tournés à grande vitesse pour simuler une force gravitationnelle accrue ; le type de machine utilisé pour cela est appelé « centrifugeuse humaine ». La machine montrée ci-dessous est capable de délivrer 20g (20 x la force de gravité de la Terre). Ce type de formation s'est avéré précieux car le sang s'éloignera du cerveau à mesure que la force g augmente, ce qui peut provoquer une vision en tunnel et des évanouissements ; s'entraîner pour cette éventualité augmente la probabilité qu'un astronaute identifie et remédie à la situation avant qu'elle ne devienne critique.
Centrifugeuse Humaine 20 g
Comment Fonctionne l'Auto-Débourbage du Purificateur de Fioul
Les purificateurs de fioul plus grands sont équipés d'une capacité d'auto-débourbage. Au fur et à mesure que le bol d'un purificateur devient sale, le diamètre de travail du bol diminue progressivement, et l'efficacité de l'unité diminue. Dans les purificateurs plus anciens, il était nécessaire d'ouvrir fréquemment le purificateur pour nettoyer les impuretés/boues de la surface interne du bol du purificateur, mais la fonction d'auto-débourbage permet de rincer un purificateur avec de l'eau et de le débourber sans avoir besoin de l'ouvrir.
Opération d'Auto-Débourbage
L'opération de débourbage est réalisée en utilisant un système de contrôle hydraulique situé sous le bol coulissant du purificateur (un petit bol placé dans le bol principal). L'eau est vidangée du système, ce qui provoque le déplacement vers le bas du bol coulissant, découvrant les orifices de débourbage. Les boues sont évacuées par les orifices de décharge dans le bol du purificateur, puis l'eau (eau de fonctionnement) remplit à nouveau la chambre sous le bol coulissant, ce qui provoque le relèvement du bol coulissant et recouvre à nouveau les orifices de décharge des boues.