Brevet FR2001976A1 — publié le 19691003

L'invention est relative à un séparateur centrifuge et plus spécialement à un séparateur centrifuge à grande vitesse, susceptible de réaliser en marche continue la séparation de substances qui ne présentent qu'une 5 faible différence de densité, par exemple les isotopes U 235 et U 238 de l'uranium naturel. Les séparateurs des types à écoulement continu les plus couramment utilisés peuvent se ranger suivant leur forme en trois groupes : 10 1*) Séparateurs à plateaux. 2°) Séparateurs cylindriques creux• 3") Séparateurs en hélice (décanteurs). 1? Dans les centrifugeuses de ces modèles, la force centrifuge qui provoque la séparation augmente proportionnellement au carré de la vitesse périphérique du rotor. Actuellement toutefois, les limitations dues à l'effort de rotation inhérent aux structures mêmes ont rendue impossible 20 l'augmentation des vitesses périphériques du rotor des machines courantes au-delà de certaines valeurs. Par suite les vitesses périphériques des rotors, et les effets de centrifugation ainsi obtenus, sont limités aux valeurs qui figurent sur le tableau ci-dessous. Avec des appareils centrifuges courants, on rencon-25 tre des difficultés très grandes pour séparer en leurs composants des aélanges de produits qui ne présentent que de faibles différences de densité. Pour obtenir une séparation satisfaisante de tels mélanges, il faut exécuter l'opération en différents étages avec cet inconvénient que ce travail nécessite 30 une construction très compliquée. Séparteur Séparateur Séparateur à plateaux cylindrique genre creux décanteur Vitesse du rotor RPM 10 000 22 OOO 3 600 Vitesse périphérique en m/sec 120 350 120 . Effet centrifuge g 10 000 81 000 2 OOO 69 03726 2 2001976 Dans les séparateurs centrifuges courants, en particulier ceux qui travaillent à grande vitesse, les rotors sont soumis à une importante résistance au frottement en raison de la présence de l'air dans l'espace 5 qui se trouve entre le rotor et le caisson de la centrifugeuse dans lequel est monté le rotor, 11 s'en suit un développement de chaleur et une perte de puissance qui sont toutes deux indésirables. Afin d'éviter que ces possibilités ne se réalisent, il y a lieu de faire le vide dans l'espace qui est à l'intérieur 10 du caisson, ce qui amène à prévoir une pompe à vide puissante. Quand on opère à grande vitesse, ces machines centrifuges peuvent être entraînées de deux façons. Suivant un procédé, la puissance est fournie par un moteur électrique ordinaire tournant avec un nombre de tours cou-15 rant dans le commerce, par l'intermédiaire d'engrenages d'accélération, et suivant l'autre, l'appareil est entraîné directement par un moteur à haute fréquence raccordé à une source de puissance à haute fréquence. Les deux manières de procéder augmentent la complication de la construction et peuvent entraîner 20 des perturbations supplémentaires. Dans le dernier cas, en particulier là où une pluralité de séparateurs centrifuges couplés avec leurs moteurs à haute fréquence respectifs sont entraînés par une puissance venant d'une source unique, commune, toutes les machines doivent être arrêtées si l'une d'entre elles tombe 25 en panne, afin que l'on puisse enlever de la chaîne la machine hors de service et attendre jusqu'à ce qu'elle soit réintroduite dans la chaîne après la réparation nécessaire. Quand la machine réparée a été remise en place, il faut augmenter graduellement la fréquence de la source de puissance jusqu'à un 30 niveau suffisamment élevé pour que toutes les machines du groupe démarrent à nouveau. 1.1 en résulte de gros inconvénients et un abaissement du rendement de l'opération. Un autre inconvénient qui s'associe à l'utilisation du dernier procédé est quil n'est jamais possible de régler la vitesse des séparateurs cen-35 trifuges séparément, du fait qu'il n1est fourni qu:un courant de haute fréquence donné à leurs moteurs par une source de puissance unique. L!invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet, un sépara-ko teur centrifuge pour service en continu, caractérisé par ce 69 03726 3 2001976 qu'il comprend un caisson et un rotor d'une seule pièce monté rotatif dans ce caisson, le rotor comportant des chambres de séparation sous forme de cavités pratiquées dans les parties du rotor éloignées du centre de celui-ci, une ouverture pour 5 l'introduction d'un mélange qui devra être traité dans les chambres de séparation, une ouverture pour l'évacuation de la fraction légère séparée, une autre ouverture pour 1'évacuation de la fraction lourde qui est prévue en un point éloigné radiale-ment de l'ouverture ci-dessus, et par ce qu'il est pourvu en 10 outre de passages destinés à faire communiquer séparément les ouvertures précitées avec l'extérieur. Un séparateur conforme à l'invention est représenté à titre d'exemple non limitatif dans les dessins ci-joints dans lesquels : 15 - Les figures 1 et 2 repré sentent un modèle d'exécution du séparateur centrifuge suivant l'invention, la figure 1 étant une coupe verticale de la moitié inférieure du rotor, et les figures 2, (a), (b) et (c) représentant des coupes du rotor suivant les lignes I- 1, II - II 20 et II - III de la figure 1. - !Les figures 3 (a), (b) et (c),et les figures k (a),(b) et (c)représentent des coupes de rotors de deux autres modèles d'exécution de l'invention, correspondant respectivement aux figures 2(ol)/(&)eb,c respectivement. 25 - La figure 5 représente une coupe verticale de la moitié inférieure d'encore un autre modèle d'exécution de l'invention. - La figure 6 représente une vue latérale d'une partie du dispositif montré dans la figure 5 30 - La figure 7 représente une coupe transversale suivant la ligne A -A de la figure 5. - La figure 8 représente une coupe transversale similaire prise suivant la ligne B-B de la figure 5* 35 Les autres moxtiés des vues données dans les figures 5 à 8 ont été omises car elles sont essentiellement symétriques avec celles-ci et sont les mêmes que les moitiés illustrées - Conformément à 1 invention on 40 a réalisé un séparateur centrifuge continu équipé d'un rotor 69 03726 4 2001976 susceptible de tourner à une vitesse périphérique beaucoup pi®s élevée que celles des rotors des centrifugeuses courantes des modèles décrits et qui en conséquence a une beaucoup plus grasde capacité de séparation pour les mélanges. 5 L'invention a également pour objet a) De réaliser un séparateur centrifuge d'une forme telle que le rotor de construction compacte est adapté pour atteindre Une vitesse périphérique aug- 10 mentée d'une façon remarquable. b) De réaliser un séparateur centrifuge entraîné par une turbine à vapeur qui est exempte des inconvénients des entraînements électriques courants. Suivant la présente invention, 15 la turbine à vapeur et le rotor centrifuge peuvent être logés dans un caisson commun et par suite il est ainsi réalisé un aé-parateur centrifuge du modèle le plus simple. c) De réaliser un séparateur centrifuge susceptible d'arriver à un fonctionnement a grande 20 vitesse grâce à une résistance au frottement plus faible que dans les machines courantes, du fait que le vide est fait dans le caisson de la machine sans que l'on ait à faire appel à une pompe à vide quelconque comme il est courant de le faire. Ces objectifs de l'invention 25 sont réalisés en rassemblant un rotor centrifuge et une turbine à vapeur dans un même caisson comme il est dit ci-dessus, et en mettant en communication l'espace qui se trouve entre le rotor et la caisson avec un condenseur. En opérant ainsi, il devient possible d'utiliser deux paliers seulement pour le rotor 30 qui autrement en demanderait au moins quatre. Le séparateur centrifuge de l'invention peut fonctionner à des vitesses élevées qui peuvent même dépasser 100 000 tours/minute- Le présent séparateur sera décrit plus complètement ci-après avec référence aux dessins 35 annexés. Si l'on se réfère aux figures 1 et 2, la référence 1 indique généralement un caisson dans lequel un rotor 2 incorporé est porté rotatif par un arbre % au moyen de paliers 3, 3» dans des conditions telles que le r© 69 03726 5 2001976 k à un organe d!entraînement approprié qui n est pas figuré. Le caisson 2 est pourvu d!un orifice d'entrée 8 pour un mélange liquide ou gazeux qui doit subir la centrifugation. Près des deux extrémités du rotor ou du grand axe du rotor 2 dont le con-5 tour en coupe présente une forme sensiblement elliptique comme il est montré dans la figure 2, il a été pratiqué des chambres 9 de séparation sous forme de cavités qui s'étendent axialeraent. Le caisson 1 est aussi pourvu dun orifice de sortie 10 pour la fraction légère qui se sépare du mélange et d'un orifice de 10 sortie 11 pour la fraction lourde qui se sépare du mélange. Des passages 12 sont pratiqués radialeraent dans le rotor 2 de façon qu'ils soient ouverts à une extrémité dans les chambres de séparation 9 et à l'autre extrémité dans une cavité centrale 12' pratiquée dans l'arbre 4. 15 Ces passages 12 communiquent par la cavité centrale 12' et par un autre passage 12" pratiqué dans le caisson 1 avec l'orifice d'entrée 8. D'autres passages 13 sont pratiqués radialement dans le rotor 2, avec une extrémité ouverte sur les chambres de séparation 9 et l'autre extré-20 *ité ouverte sur une cavité centrale 131 » pratiquée dans l'arbre 4. Ces passages 13 communiquent,par la cavité centrale 13' et par^un autre passage 13" pratiqué dans le caisson 1, avec l'orifice de sortie 10. Des passages 14 destinés à 25 la fraction lourde sont pratiqués radialement dans le rotor une extrémité de chaque passage l4 s!étend vers un point voisin du fond de chaque chambre de séparation 9 (c'est-à-dire la partie de la chambre de séparation qui est la plus éloignée du centre de rotation du rotor 2) et l'extension comporte un ori-30 fice de sortie 15 pour la fraction lourde. Les autres extrémités des passages l4 communiquent avec 1-orifice de sortie 11 par un passage annulaire l41, pratiqué dans L'arbre 4 et par un autre passage 14" pratiqué dans le caisson 1. Au point de raccordement de la cavité centrale 12' de l'arbre 4 et du passa-35 ge 12" du caisson 1, il est prévu un organe 5 étanche sur 1-arbre constitué de deux bagues d étanchéité 6 en forme de L, montées dos à dos dans un évidement 7. afin de maintenir le raccordement dans un état hermétique au liquide et hermétique au gaz. Des organes d'étanchéité sur 11 arbre 5' et 5" du même modèle %0 sont aussi prévus respectivement au raccordement du passage an- BAD OR1GINA 69 03726 6 2001976 nulaire l4 : avec le passage l4", et de la cavité centrale 13; avec le passage 13"- Ces organes d!étanchéité sur 1 arbre 5, 5' et 5" peuvent être du modèle en labyrinthe quand le mélange que l'on doit traiter se présente sous forme gazeuse. Entre l'arbre 5 4 et le caisson 1, sont montés plusieurs organes étanches en labyrinthe l6. Une sortie 17 pour éliminer le fluide provenant de fuites par les organes étanches de 1 arbre 5' et 5") vers l'extérieur, est pratiquée dans le caisson 1- Et aussi, entre le caisson 1 et le rotor 2, il est pratiqué un orifice d'éva-10 cuation d'air 18, pour éliminer l'air et la chaleur due au frottement qui s:est développée pendant la marche à grande vitesse du rotor 2. Cet orifice d'évacuation 18 communique avec une pompe à vide qui n'est pas figurée- Avec la construction qui est 15 décrite ci-dessus, le rotor est entraîné à grande vitesse, et le mélange qui doit être traité arrive par lorifice d entrée 8. Le mélange s'écoule par les passages 12", la cavité centrale 12', et les passages 12. dans les chambres de séparation 9- Dans les chambres, 3e mélange est séparé par centnfugation en ses 20 fractions légère et lourde- La fraction légère dont la densité est la plus faible,qui se rassemble à 1!intérieur,est extraite par les passages 13, la cavité centrale 13', le passage 13" et finalement par l'orifice de sortie 10 vers 1 extérieur, pendant que la fraction lourde dont la densité est plus grande, qui se 25 rassemble vers l'extérieur- des chambres de séparation (ou sur le fond de chaque chambre),est reprise par les orifices de sortie 15, les passages l4, le passage annulaire l41, et le passage l4", et passe finalement ppr 1 orifice de sortie 11. Le modèle d'exécution décrit 30 ci-dessus,avec par exemple, un rotor 2 dont le diamètre extérieur maximum est de 20 cm et des chambres de séparation 9 dont le diamètre est de 15 cm pour chacune,a montré, quand il a été entraîné expérimentalement avec une vitesse pour le rotor de 53 000 tours/minute, une vitesse périphérique de 420 m/sec pour 35 les chambres de séparation et a donné un effet centrifuge de 2J(> 000 g. Ainsi, avec ce modèle, il a été confirmé que le rotor 2 peut tourner avec une vitesse périphérique remarquablement élevée et par suite réaliser un effet centrifuge étonnanment élevé- Ceci permet de supposer avec une justification totale 40 que" 1 ' adoption du présent séparateui- permet d effectuer en mar- bad original 69 03726 7 2001976 che continue et avec une très grande efficacité la séparation par centrifugation de substances mélangées dont la différence de densité est si peu appréciable que leur séparation a été jusqu'à présent à peu près impossible, par exemple les isotopes 5 U235 et U 238 de l'uranium naturel dans la purification des combustibles nucléaires. Alors que la coupe du rotor 2 en une seule pièce du modèle décrit ci-dessus, faite perpendiculairement à l'axe, est montrée dans la figure 2 comme étant 10 sensiblement elliptique, il est aussi possible de modifier cette coupe en un profil sensiblement carré comme dans la figure 3» ou en un profil circulaire comme il est montré dans la figure 4, tout en prévoyant des chambres de séparation 9 supplémentaires pour augmenter la capacité de séparation des solutions mélan-15 gées en leurs composants. Dans les figures 3 et 4, les parties correspondant à célles que montre la figure 2 portent les mêmes références numériques. On a calculé les efforts de rotation produits par le rotor en une seule pièce suivant l'in-20 vention, possédant le profil indiqué par les figures 2 et 4, et lbn a comparé les résultats avec ceux de rotors creux de séparateurs courants ayant un profil similaire avec les mêmes dimensions et les mêmes vitesses de rotation que ceux de la présente invention, etl'on a constaté que les efforts de rotation 25 engendrés par les rotors en une seule pièce du présent séparateur, tels qu'ils sont illustrés dans les figures 2 et 4, sont respectivement d'un quart à la moitié de ceux des rotors creux courants. Etant donné que l'effort de rotation du rotor du type décrit augmente en général proportionnellement au carré du nom-30 bre de révolutions, le nombre de tours du rotor en une seule pièce du séparateur centrifuge suivant l'invention, tel qu'il est illustré dans les figures 2 et 4,peut être augmenté et passer respectivement à 2 et 1,4 fois celui des rotors creux des centrifugeuses courantes. On a nussi constaté que la vites-35 se périphérique des rotors suivant l'invention peut être augmentée pour devenir 2 et 1,4 fois plus grande que celle des rotors courants et que ïeffet centrifuge peut être porté à 4 et 2 fois celui de ces derniers. Ainsi, suivant l'invention, la vitesse périphérique et 1!effet centrifuge d'un rotor en une 40 seule pièce 2 sont remarquablement élevés, et permettent la sé- BAD ORIGIh 69 03726 8 2001976 paration par centrifugation continue des substances mélangées qu!il serait autrement difficile de séparer du fait que leur différence de densité est négligeable. En outre., le présent séparateur permet de réaliser une capacité de séparation qui sera 5 plus de quatre fois plus grande que les capacités des centrifuges courantes. Le profil en coupe de chambres de séparation 9 n'est pas limité au cercle, mais peut être modifié pour prendre différentes autres formes- Par exemple, 10 d'après les vues en coupe données dans la figure 2 (a) à (c), on remarquera que,si la largeur de chaque chambre 9 de séparation est augmentée, l'effort transversal de la coquille extérieure de la chambre 9 diminuera proportionnellement au carré de la largeur. D'un autre coté, le coefficient de séparation 15 centrifuge augmente avec l'augmentation des distances entre le centre de rotation du rotor 2 et le fond de chaque chambre de séparation 9, et entre le centre de rotation et le plafond (la partie la plus proche du centre de rotation) de chaque chambre de séparation 9* Ceci entraine une augmentation de l'efficacité 20 de la séparation. 11 est en conséquence opportun de donner à chaque chambre de séparation 9 la forme d'une ellipse allongée dans la direction du rayon de rotation du rotor 2. Dans le présent séparateur, l'énergie (force centrifuge) nécessaire pour alimenter en mé-25 lange les chambres de séparation à partir du centre de l'axe est utilisée pour faire sortir les composants séparés, ou mieux les fractions légère et lourde, des chambres de séparation par le centre de l'axe vers l'orifice ouvert dans le caisson. Pour cette raison, la puissance que l'on devra consommer pour I ali-30 mentation en mélange est limitée auxpertes par frottement du mélange, et par suite la consommation d énergie sera très faible, ce qui constitue un avantage économique. On décrira maintenant ci-après un autre modèle d'exécution de 1:invention illustré dans les 35 figures 5 à 8. Dans ces figures, un rotor, généralement référencé 101, est constitué d un assemblage turbine rotor 1011, d'un assemblage rotor centrifuge 101" et dun arbre 101'". Un caisson entraîneur 102 enferme, et supporte kO pour qu'il puisse tourner, le rotor 101. L■arbre rotor 101'" *fcAD ORIGINAL 69 03726 9 2001976 est supporté par des paliers 103- 104. L assemblage turbine rotor 101' est pourvu d une roue entx-aïneuse 105 de turbine, qui se trouve en face d'un groupe de tuyères 106, prévues en opposition avec elle et raccordées avec une chambre de vapeur 5 107 pour l'alimentation en vapeur. Un orifice d'entrée de la vapeur 108 communique avec une chaudière qui n est pas figurée. Entre le rotor 101 et le caisson 102 est défini un espace 109 qui sert de chambre d'évacuation pour la turbiné. Un orifice d'évacuation 110, ouvert dans le caisson 102, communique avec 10 l'espace 109 qui est à l'intérieur du caisson et avec un condenseur qui n'est pas figuré. Des chambres de séparation 111 pour la séparation centrifuge d'un mélange sont pratiquées dans l'assemblage rotor centrifuge 101". Plus particulièrement, les chambres sont prévues, comme le montrent les figures 7 et 8, 15 symétriquement près des deux extrémités du grand axe de l'assemblage rotor 101",dont la section transversale est essentiellement de forme ovale,et prennent la forme de cavités cylindriques qui s'étendent axialement. Un orifice d;entrée 112 pour l'arrivée du mélange qui doit ëtxe soumis à la séparation par 20 centrifugation est en communication à une extrémité de 1'arbre rotor avec une cavité centrale prévue dans le centre de l'arbre du rotor 101!" en passant par un organe d-étanchéité sur 1 arbre. Des passages ll4 sont prévus radialement pour le mélange sur l'assemblage rotor 101", ou\rsrts à une extrémité sur les cham-25 bres de séparation 111 et ouverts à l'autre extrémité sur la cavité centrale 113 BAD OBfGJ 69 03726 10 2001976 autres extrémités des passages 118 communiquent avec vin orifice de sortie 122 de la fraction lourde par l'intermédiaire d'un passage annulaire 120 formé le long du centre de l'arbre rotor et concentriquement avec la cavité 116 du centre, à l'extérieur 5 de celui-ci,et par une ouverture 121 située sur la périphérie de l'arbre en passant par un joint étanche d'arbre. Autour des parties de l'arbre 101'" du rotor 101"qui s'étendent dans le caisson 102, sont établis, comme joints étanches d'arbre, des joints à labyrinthe 123, 124, qui sont alimentés avec de la va-10 peur assurant 1'étanchéité,fournie par des orifices d'alimentation 125, 126, pour effectuer des effets supplémentaires d1étanchéité. Comme les organes d'étanchéité de l'arbre déjà cités pour les parties voisines des points d'arrivée du mélange qui doit être centrifugé, et pour l'évacuation des fractions 15 séparées, des organes d'étanchéité en labyrinthe 127, 127 sont disposés comme il est illustré, et des sorties 128, 128 pour l'évacuation du fluide provenant de fuites par les organes d'é-tanchéité vers l'extérieur sont aussi établies comme il est illustré. 20 Avec la construction telle qu'elle est décrite ci-dessus, le dispositif fonctionne de la façon suivante. Quand la vapeur provenant d'une chaudière qui n'est pas figurée est introduite par l'entrée de vapeur 108 dans la chambre de vapeur 107, elle est injectée sous forme d'un 25 jet à grande vitesse par le groupe de tuyères 106 contre la couronne mobile de la turbine 105 qui lui fait face, ce qui produit une puissance de rotation suffisante pour faire tourner à grande vitesse l'assemblage turbine rotor 101' et par suite l'assemblage rotor qui ne fait qu'un avec lui. En même temps 30 le mélange que l'on se propose de centrifuger est introduit par l'orifice d'alimentation 112 dans la cavité centrale 113 du rotor 101, et de là par les passages ll4 de l'assemblage rotor centrifuge 101" dans les chambres de séparation 111. Dans ces chambres, le mélange est soumis à une force centrifuge im-35 portante et est séparé, du fait de la différence de densité, en deux parties, ou fractions légère et lourde. La fraction légère est évacuée par les passages 115 et la cavité centrale 116 et sort finalement par l'orifice de sortie 117 à l'extrémité de l'arbre rotor, pendant que la fraction lourde est poussée du 40 fond des chambres de séparation 111 dans les tubes 119 et est 69 03726 11 2001976 reprise continuellement à l'orifice de sortie 122 en passant par le passage 118, le passage annulaire 120 et 1 ouverture 121 de l'arbre. La vapeur qui s'échappe de la 5 roue mobile 105 se détend immédiatement avec diminution de la pression dans l'espace 109 à l'intérieur du caisson qui sert de chambre d'échappement pour la turbine et est ensuite condensée dans un condenseur qui n'est pas figuré. Ainsi, avec le modèle d'exécution illustré, il a été constaté expérimentale-10 ment que le degré de vide obtenu dans l'espace 109 du caisson, mesuré dans le voisinage de l'orifice d'échappement 110,atteignait environ 720 mm Hg (à une température de refroidissement de l'eau de 20°C dans le condenseur) et qu'en conséquence la résistance due au frottement du gaz sur le rotor 101 tournant 15 à grande vitesse était pratiquement négligeable. Dans une expérience faite avec un modèle d'exécution décrit ci-dessus, il a été obtenu un effet centrifuge de 275 000 g,avec un rotor ÎOI dont le diamètre maximum était de 20 cm et la vitesse de 53 000 tours/min, 20 et avec des chambres de séparation 111 mues avec une vitesse périphérique de 470 m/sec. Il doit être bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux modèles d'exécution décrits ci-dessus, mais que de nombreuses modifications peuvent 25 être apportées sans que l'on sorte de l'idée et de l'esprit de l'invention. Par exemple on pourra utiliser des turbines de modèles quelconques à condition qu'elles soient équipées d'un dispositif de condensation. Et aussi le milieu d'entraînement n'est pas limité à la vapeur, et rien ne s'oppose à l'emploi 30 d'un autre milieu approprié quelconque si cela est nécessaire. 69 03726 12 2001976 REVENDICATIONS 1°) Séparateur centrifuge pour service en continu, caractérisé par ce qu'il comprend un caisson et un rotor d'une seule pièce monté rotatif dans ce caisson, le 5 rotor comportant des chambres de séparation sous forme de cavités pratiquées dans les parties du rotor éloignées du centre de celui-ci, une ouverture pour l'introduction d'un mélange qui devra être traité dans les chambres de séparation, une ouverture pour l'évacuation de la fraction légère séparée, une autre 10 ouverture pour l'évacuation de la fraction lourde qui est prévue en un point éloigné radialement de l'ouverture ci-dessus, et par ce qu'il est pourvu en outre de passages destinés à faire communiquer séparément les ouvertures précitées avec l'extérieur. 2°) Séparateur centrifuge con-15 forme à la revendication 1, dans lequel le rotor du séparateur centrifuge est incorporé dans un rotor de turbine à vapeur, les deux étant supportés conjointement par un arbre unique, et disposés dans un caisson commun, et l'espace qui est à l'intérieur du caisson étant en communication avec le condenseur de la tur-20 bine à vapeur.