Brevet FR2134377A1 — publié le 19721208

-1 - 2134377 L'invention concerne un dispositif mélangeur comprenant au moins une chicane et destiné à des fluides qui circulent dans le même sens. Le tonne fluide désigne des liquides, des gaz ou 5 mélanges gazeux, des milieux à faible ou à forte viscosité, ainsi que des particules solides fluides. Deux liquides ou davantage, des gaz ou mélanges gazeux, un liquide et un gaz ou un liquide et une matière pulvérisée peuvent, par exemple, passer dans le même sens dans ce dispositif. 10 Quelques exemples de mise en oeuvre de processus pou vant être exécutés dans ce dispositif mélangeur sont les suivants : a; Mélange de deux liquides : Neutralisation d'un acide, par exemple d'un acide résiduaire de bains de décapage par une lessive alcaline. Les chicanes 15' peuvent être par exemple en matière plastique. b: Mélange d'un gaz et d'un liquide : Hydrogénation ou chloration de l'eau. c: Mélange de deux gaz : Oxygène et ammoniac pour la production d'acide ni- 20 trique. d: Réactions catalytiques : par exemple synthèse de l'ammoniac. e: Mélange de milieux très visqueux : par exemple de matières plastiques ou de produits 25 pâteux. L'invention a pour objet un dispositif mélangeur, dont la ou les chicanes sont conçues de manière à pouvoir être réalisées facilement et qui mélange "très efficacement les fluides. La ou les chicanes selon l'invention sont conçues de manière qu'elles 30 puissent s'adapter à tout processus spécifique de mélange, par exemple en fonction du diamètre ou de la longueur du dispositif, mélangeur. Selon une particularité essentielle de l'invention, la chicane est en plusieurs couches en contact qui.forment des canaux de circulaticn dont les axes de symétrie longitudinaux sont 35 sensiblement parallèles au moins par groupes à l'intérieur de chaque couche, les axes de symétrie des canaux des couches voisines étant inclinés les uns sur les autres et ces canaux d'au moins deux couches voisines s'ouvrant au moins partiellement les uns sur les autres. Le dispositif contient de préférence au moins deux chicanes, de ma-40 nière que le mélange soit très uniforme sur sa section, les couches des chicanes voisines étant décalées angulairement, de préférence de 90°, autour de l'axe de symétrie longitudinal du dispositif. 72 12661 - 2 - 2134377 Les fluides se mélangent dans les chicanes de l'invention, d'une part, parce qu'ils doivent nécessairement passer par les canaux de circulation des couches. Ces canaux dos couches voisines s'ouvrant au moins partiellement les uns sur les autres, il se 5 produit par ailleurs aux surfaces de contact des courants passant par ces canaux des forces de cisaillement des couches limites des fluides, en particulier lorsque ceux-ci sont des liquides très visqueux, ou il se produit une turbulence à ces surfaces de contact, de sorte que la répartition des fluides sur la section des chicanes 10 est d'autant meilleure et que le mélange obtenu est excellent. Selon ion mode de réalisation avantageux d'une chicane selon l'invention, ses couches se composent de lamelles cannelées en contact les unes avec les autres et les cannelures des lamelles successives inscrivent un angle entre ell.es, les cannelures d'au moins 15 3.'une des lamel3.es successives formant un angle avec l'axe de symétrie longitudinal du dispositif mélangeur -par rapport au sens de circulation, des f3.uides-. Selon une variante de réalisation avantageuse de l'invention, les différentes couches d'une chicane sont formées d'élé-20 ments plans auxquels des éléments-guides inclinés plans sont reliés de manière que les différents canaux de circulation soient délimités d'une part par les éléments' plans et, d'autre part, par deux éléments-guides voisins parallè3.es. Les é3.éments~guides d'une couche peuvent être disposés par exemple en épi. 25 Finalement, chaque couche d'une chicane peut aussi être formée d'un banc de tubes, les tubes formant 3.es canaux de circulation étant en contact dans le sens longitudinal et les tubes d'au moins deux bancs voisins communiquant par des trous. Les chicanes se3.on l'invention trouvent une app3.ica-30 tion avantageuse dans les dispositifs mélangeurs, par exemple tubu-laires ou en cuves, de diamètre relativement grand, par exemple supérieur à 50 nm, car les bons mélanges transversaux égalisent aussi rapidement les irrégularités dans 3.es dispositifs de ce type. Le dispositif mélangeur de 3.'invention peut aussi 35 être mis en oeuvre pour provoquer une réaction chimique des f3.uides mis en contact, en plus de 3.eur mélange rapide et uniforme au cours de leur passage dans le même sens par le dispositif. Il est donc possible, le cas échéant, soit de réaliser les couches formant 3.es canaux de circulation e3.3.es-mêmes en un matériau catalyseur, soit de 40 déposer un matériau catalyseur sur les couches formées de préférence 72 12661 2134377 de pièces pleines, par exemple de tôle, ou éventuellement de tissu ou de tricot métallique. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur les-5 quels : la figure 1 est une coupe axiale schématique d'un dispositif mélangeur à deux chicanes superposées, formées de lamelles cannelées et décalées de 90° l'une par rapport à l'autre ; les figures la et 1b sont des coupes transversales 10 partielles selon les lignes A - B et C - D de la figure 1 ; la figure 2 représente schématiquement en perspective les différentes lamelles d'une chicane ; la figure 3 est une coupe axiale schématique d'un malaxeur à dispositif mélangeur selon l'invention ; 15 les figures 4 et 5 représentent schématiquement en perspective d'autres variantes de chicanes selon l'invention ; les figures 6 et 7 sont des coupes transversales schématiques partielles de dispositifs mélangeurs comportant plusieurs chicanes pouvant être réalisées par exemple selon les figures 2, 4 20 ou 5 î et . les figures 8 et 8a sont des coupes transversales sché matiques de modes de réalisation d'une chicane selon la figure 2, dont les couches sont constituées de lamelles à cannelures différentes par exemple de hauteurs différentes ou d'angles d'inclinaison diffé-25 rents. Le dispositif mélangeur représenté sur la figure 1 comprend un tube cylindrique 1 de section circulaire- La section peut, bien entendu, être aussi différente, par exemple carrée. Le dispositif peut être disposé verticalement ou horizontalement. 30 Le tube 1 comporte une bride inférieure 2 de raccord à un conduit d'arrivée d'un fluide a et une bride supérieure 3 de raccord à un conduit de sortie du mélange ou d'un composé chimique c, £ étant formé du composant a et d'un fluide b arrivant dans le dispositif mélangeur par un conduit k pénétrant dans ce dernier. 35 Deux chicanes 5a et 5b sont superposées dans le dis positif 1 et décalées de 90° (voir figures la et 1b). Les lamelles 6 sont représentées sur la figure 2 dans l'ordre dans lequel elles sont finalement-appliquées les unes contre les autres pour être réunies en une chicane destinée à être U0 insérée dons 3e dispositif mélangeur 1. Le dessin montre la diffé- 72 12661 - 2134377 rence de grandeur des lamelles des différents elements qui croît des deux côtés extérieurs vers le milieu de manière que les lamelles assemblées constituent un corps cylindrique. Les lamelles, dont quatre sont représentées telles qu'elles sont réellement et dont les 5 autres sont indiquées schématiquement, sont en tôle et comportent des perforations espacées, destinées à améliorer le mélangé des fluides dans la chicane. Les cannelures sont disposées de manière que leurs lignes d'orientation de deux lamelles voisines se coupent de la manière représentée. Les points représentent schématiquement 10 sur la figure 1 la répartition du fluide b dans le fluide a à l'intérieur du dispositif mélangeur. Lorsque celui-ci a un très grand diamètre, il peut être préférable que chaque chicane soit en plusieurs éléments. Les chicanes sont adaptées à la section intérieure 15 du dispositif mélangeur. Les chicanes voisines étant décalées, do préférence de 90°f la répartition et donc le mélange des deux fluides passant dans le même sens à l'intérieur du dispositif sont excellents. Lorsque certains processus de mélange s'accompagnent d'une réaction chimique, le mélange latéral égalise immédiatement les irrégularités 20 pouvant provenir d'une mauvaise distribution ou d'une réaction qui ne se déroule pas de manière uniforme. La figure 3 représente un malaxeur, dénommé aussi extrudeuse, comprenant une enveloppe tubulaire 10 dans laquelle débouche une trémie 10a d'arrivée d'une matière capable d'être malaxée, 25 par exemple préalablement réchauffée, par exemple d'une matière plastique. Une vis transporteuse 12 et un dispositif mélangeur constitué de quatre chicanes 13a, 13b, 13c et 13d et destiné à homogénéiser le mélange introduit sont disposés dans le tube 10 qui, dans l'exemple représenté, est entouré d'une chemise 11 dans laquelle 30 passe un fluide de chauffage, tel que de la vapeur d'eau, en cours de service. Les chicanes sont analogues à celles de la figure 2. Des organes 14 de retenue fixent la chicane 13d dans l'enveloppe 10. La matière homogénéisée dans le malaxeur en sort par une tubulure 15 de raccord. 35 Le dispositif mélangeur de l'invention a par ailleurs pour effet d'améliorer notablement le transfert de chaleur des fluides par sa paroi extérieure au cours de réactions chimiques. Les différentes couches de la variante de chicane représentée sur la figure 2 sont formées d'éléments plans 20, par 40 exemple de tôle. Des éléments-guides 21, constitués par exemple de 72 12661 -s- 2134377 feuillards, sont reliés 'par exemple par soudage ou brasâge, à distance les uns des autres, aux deux surfaces des éléments 20 avec le plan desquels ils forment un angle, de préférence de 90°. Les couches voisines de la chicane sont disposées -comme montré sur le 5 dessin- de manière que les éléments-guides soient en contact aux points de croisement, de sorte que la répartition est la même que celle qui a lieu dans la chicane de la figure 2 lors de l'exécution d'un processus de mélange. La figure 5 représente une chicane, dont chaque couche 10 22 est formée d'un banc 23 de tubes 24 en contact le long d'une génératrice et inclinés sur l'axe de symétrie longitudinal des couches, ces tubes comportant des trous 25. Les axes des tubes des couches voisines de ce mode de réalisation inscrivent un angle entre eux, de manière analogue à celle des modes de réalisation des figures 2 et 4, 15 dont les lamelles cannelées ou les éléments-guides des couches voisines sont en contact aux points de croisement et les tubes formant les canaux de circulation communiquent par les trous 25- Les dispositifs mélangeurs comportant des chicanes selon les figures 4 et 5 en comportent aussi de préférence au moins 20 deux -de la manière représentée sur la figure î- et les couches des chicanes voisines sont décalées les unes par rapport aux autres autour de l'axe longitudinal du dispositif mélangeur, de préférence de 90°. Les critères imposés à un processus mélangeur commandent la hauteur et la largeur des canne3.ures.-des lame3.1es (voir figure 2) 25 ou 3.a section des canaux rectangu3.aires de circulation (voir figure 4) ou 3.e diamètre de ces canaux (voir figure 5)• Si par exemple, deux liquides à faib3.e viscosité de 1 à 5 centipoise, par exemp3.e, doivent être dispersés l'un dans 3.'autre, les canaux de circulation des chicanes dans 3.esque3.s cette dispersion s'effectue ont, de préférence, 30 une section relativement faible, de manière que 3.es forces produites de cisai3.1ement suffisent à répartir 3.es f3.uidss,mais ne soient pas suffisamment grandes pour provoquer des émulsions stab3.es. Lorsque le processus consiste en un mé3.ange de gaz, par exemp3.e d'air chaud et d'air froid en technique de climatisation, 35 3-cs chutes de pression doivent rester faibles dans 3.es dispositifs mélangeurs, afin que 3.a puissance nécessaire du ventilateur ou du compresseur soit réduite au minimum. Les mélanges de gaz ne sou3.evant en géncra3. pas de prob3.èmes te3.s que ceux posés par 3.es mélanges de 3.iqui-dee,les canaux de circu3.ation des chicanes peuvent avoir des sections 40 relativement grandes. La turbu3.ence que les points de croisement des 72 12661 2134377 canaux do circulation des .couches voisines provoquent améliore l'effet mélangeur que la circulation forcée dans ces canaux produit par répartition des gaz dans les chicanes. Les liquides dont les viscosités diffèrent fortement 5 posent des problèmes qpéciaux de mélange. Le mélange d'eau, dont la viscosité est de 1 centipoise, avec un courant de méthylecellulose d'une viscosité de 10^ centipoises ai est un exemple. Lorsque les concentrations d'eau sont grandes, par exemple de 20 } cette eau a tendance à former son propre canal de circulation et à passer à travers la méthylecellu-10 lose envoyée dans la chicane, sans se mélanger en proportion notable avec elle. Ce phénomène se traduit par des éruptions d'eau à la sortie de .la chicane. XL a été reconnu, dans le cadre de l'invention, que le problème principal est celui de la répartition grossière initiale 15 de l'eau de mélange. S'il, est possible de provoquer rapidement une répar tition grossière, c'est-à-dire de distribuer l'eau sur de très nombreux canaux, au début du circuit de mélange, la suite de sa répartition en est facilitée et le risque d'éruption d'eaii est pratiquement éliminé. Des chicanes à canaux relativement petits peuvent pro-20 voquer la répartition grossière de ce processus de mélange. Mais les canaux dans lesquels la répartition se poursuit peuvent avoir des sections supérieures, afin que la chute mentionnée de pression dans les chicanes reste aussi faible que possible. Le mélange que les dispositifs décrits et représentés 25 provoquent est bon dans le sens transversal, mais le mélange dans le sens axial est relativement faible, c'est-à-dire que le temps pendant lequel chaque élément de volume des fluides en mélange reste dans la zone mélangeuse est approximativement de même durée. Ce type de processus de mélange est avantageux dans 30 de nombreuses applications. H existe cependant des cas dans lesquels un certain "allongement" du spectre de la durée de passage dans l'appareil est avantageux, par exemple lorsque les débits des fluides envoyés dans le dispositif mélangeur ne sont pas constants. L'un des problèmes princi-35 paux d'un processus de mélange en continu est par exemple celui du dosage précis des fluides. Si chaque élément de volume reste aussi longtemps dans le dispositif mélangeur, des fluctuations de dosage peuvent apparaître dans le produit final. H peut donc être préférable que les durées de passage des divers éléments de volume diffèrent précisément lorsque 40 le dosage souleva des difficultés. Ainsi, les fluctuations de dosage, 72 12661 - 7 - 2134377 qui apparaissent sous forme de fluctuation de concentration dans le dispositif mélangeur,s'étalent en longueur et finissent par s'équilibrer. Une disposition des chicanes telle que représentée sur la figure 6 convient par exemple à l'élargissement des spectres 5 de durée de passage. Plusieurs chicanes 2? pouvant être réalisées par exemple de la manière représentée sur les figures 2, 4 ou 5 sont disposées par paquets dans une enveloppe tubulaire 26 d'un dispositif mélangeur. Un second tube 30 rempli de chicanes 29 est monté dans les zones libres 10 28 situées entre deux paquets. L'intervalle annulaire séparant les tubes 26 et 30 est libre. Cet espace annulaire pourrait cependant aussi être seul à comporter des chicanes, le tube central 30 étant alors ouvert. Les débits volumiques des courants passant par le tube intérieur 30 et l'intervalle annulaire vide étant inversement proportionnels aux pertes 15 correspondantes de pression, ces courants subissent un déplacement lon gitudinal et donc le dispositif provoque le mélange axial voulu. On sait que la vitesse maximale qu'une circulation axiale atteint dans un tube vide, au centre de ce dernier, est deux fois plus grande que la vitesse moyenne. XL en résulte une large réparti-20 • tion des temps de passage sur la section du tube. H est donc aussi possible d'obtenir la répartition axiale voulue par une disposition telle que celle de la figure 7, dans laquelle les paquets de chicanes 31 alternent avec des sections de tube vide 32. Les figures 8a et 8b illustrent d'autres réalisations 25 permettant de produire un mélange axial. Les chicanes de ces exemples sont des lamelles cannelées 33 et 3^ telles que représentées sur la figure 2, mais dont les hauteurs des cannelures diffèrent. Les fluides circulent plus vite dans les canaux de grande section que dans ceux dont la section est plus faible. XL en résulte également un "allongement" 30 du spectre de la durée de passage et donc aussi un mélange axial en plus du bon mélange transversal. XL va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aixc dispositifs décrits et représentés, sans sortir du cadr-e -do l'invention. 72 12661 2134377 REVENDICATIONS 1. Dispositif mélangeur dans lequel des fluides circulent dans le même sens et qui comprend au moins une chicane, caractérisé en ce que ladite chicane se compose de couches en contact, 5 qui forment des canaux de circulation dont les axes de symétrie lon gitudinaux sont sensiblement parallèles, au moins par groupes,à l'intérieur de chaque couche, les axes de symétrie des canaux des couches voisines étant inclinés les uns sur les autres et ces canaux d'au moins deux couches voisines s'ouvrant au moins partiellement les uns 10 sur les autres. 2. Dispositif mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux chicanes voisines, dont les couches sont décalées angulairement autour de l'axe de symétrie longitudinal du dispositif. 15 3. Dispositif mélangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins deux chicanes voisines sont directement dans le prolongement l'une de l'autre. 4. Dispositif mélangeur selon la revendication 3> caractérisé en ce que le dispositif mélangeur entouré par exemple 20 d'une chemise tabulaire comporte des chicanes de sections différentes 5- Dispositif mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de la chicane se composent de lamelles cannelées en contact les unes avec les autres et les cannelures des lamelles successives inscrivent un angle entre elles, les canne-25 lures d'au moins l'une des lamell.es successives formant un angle avec l'axe de symétrie longitudinal du dispositif - par rapport au sens de circulation des fluides -, 6. Dispositif mélangeur selon la revendication 5j caractérisé en ce que les cannelures des lamelles ont sensiblement 30 la même inclinaison et les orientations des cannelures des lamelles voisines se coupent. 7- Dispositif mélangeur selon la revendication 5j cara.ctérisé en ce que les lamelles d'une chicane comportent des cannelures dont les hauteurs diffèrent. 35 8. Dispositif mélangeur selon les revendications 2 et 5 prises ensemble, caractérisé en ce que deux chicanes voisines se composent de lamelles, dont les hauteurs des cannelures diffèrent. 9. Dispositif mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différentes couches d'une chicane sont formées 40 d'éléments plans auxquels des éléments-guides inclinés plans sont reliés 72 12661 2134377 de manière que les différents canaux de circulation soient délimités , d'une part, par les éléments plans et, d'autre part, par deux éléments-guides voisins parallèles. 10. Dispositif mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque couche de la chicane est formée d'un banc de tubes, les tubes formant les canaux de circulation étant en contact dans le sens longitudinal et les tubes d'au moins deux bancs voisins communiquant par des trous. 11. Dispositif mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des couches se composent de pièces pleines. 12. Dispositif mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches se composent d'un tissu ou d'un tricot métallique. 13. Dispositif mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un catalyseur est déposé sur les couches. 14. Dispositif mélangeur selon l'une des revendications 5 et 9, caractérisé en ce que les lameU.es comportent des trous distants de passage des fluides d'un côté à l'autre de la lamelle.