Brevet FR2133565A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne des installations de distribution de matières liquides fondues très .visqueuses telles qu^un^ui? polymère fondu, dans lesquelles les conduites ont tendance à produire des variations indésirables des propriétés de tels liquides à leurs points de distribution. Une installation type de distribution d'un polymère est une installation dans laquelle un polymère tel que lè "Hylon", l'acryl.onitrile, un polyester, etc. est distribué à l'état fondu dans un réseau de conduits vers plusieurs filières qui extrudent le polymère sous forme de filaments qui sont eux-mêmes filés sous forme d'un fil. Une difficulté rencontrée dans la technique antérieure réside dans le fait que la qualité des filaments produits, par exemple lorsqu'on la mesure par des essais de résistance à la traction, varie beaucoup même entre les filaments provenant des divers orifices d'une même filière. Par suite, le produit final est d'une qualité plus médiocre que celle souhaitée. La principale raison de l'irrégularité susmentionnée est due au fait que dans tout traitement de polymères, le polymère a tendance à se dégrader à la température de fusion en fonction du temps et de la température. La matière en question est très visqueuse et s'écoule à de faibles valeurs du nombre de Reynolds de telle sorte que l'écoulement est laminaire. Au fur et à mesure que le régime laminaire d'écoulement du polymère se développe dans le courant ,1a vitesse de la matière au centre du courant tend à augmenter en comparaison de celle régnant près de la paroi. Le frottement est responsable de la limitation de la vitesse du polymère au voisinage immédiat de la paroi. Etant donné que le courant visqueux forme un profil où ,front dans lequel le centre s'avance plus rapidement que dans la couche limite, il se développe dans le courant proprement dit un facteur de frottement provoquant une variation de température dans le polymère,de telle sorte que la température régnant au centre du courant augmente, ce qui diminue la viscosité. Cet effet est progressif, de sorte qu'à mesure que la vitesse augmente au centre du courant, ce dernier a tendance à s'écouler plus rapidement en augmentant ainsi 1© température et en réduisant encore 72 02462 2 2133565 la viscosité. Dans certains cas, il se produit des réactions exothermiques entre les composants du courant, ce qui contribue à l'élévation de la température et à la diminution de la viscosité. Il est évident qu'il s'établit à cet instant une courbe de 5 distribution en fonction de la durée de séjour, étant donné que la partie du courant proche du centre du conduit se déplace plus vite dans l'installation que la matière se trouvant près de la paroi. Les petites différences de température entre le centre du courant et la couche limite sont responsables des grandes diffé-10 rences de la qualité finale du produit. Par exemple, avec certains polymères, une différence de température de 10°C entre la couche limite et le centre du courant peut être la cause d'une variation de 100 jo de la qualité du produit qui est mesurée par des essais de résistance à la traction des filaments produits. 15 Lorsqu'il est nécessaire de partager le courant, par exemple pour alimenter plusieurs filières, le courant ne se partage par uniformément et les composants, s'écoulant à une plus grande vitesse passent dans un courant,tandis que les composants s1écoulant à xme plus faible vitesse passent dans un autre cou-20 rant, ce qui augmente la tendance qu'a l'installation à provoquer de grandes différences dans la qualité du produit. Dans la technique antérieure, on a tenté de résoudre ces problèmes en utilisant des dispositifs mélangeurs entraînés extérieurement nécessitant une grande puissance pour les entraîner. 25 Ces mélangeurs dynamiques ont eu eux-mêmes pour effet de dégrader le polymère. Divers dispositifs non dynamiques ou fixes destinés à provoquer un mélange dans le courant ont été essayés,, mais des inconvénients tels qu'une obstruction, une chute excessive de la pression et un mélange insuffisant ont limité l'efficaci-30 té de tels dispositifs. Des difficultés analogues à celles rencontrées avec des polymères fondus se sont manifestées dans d'autres installations impliquant la distribution de matières fondues très visqueuses telles que le verre, dans lesquelles la viscosité est fonction 35 de la température. Dans la technique antérieure, on a essayé principalement d'utiliser un dispositif d'agitation ou de mélange dynamique, mais également avec peu de succès. .. 72 02462 3 2133565 La présente invention surmonte sensiblement les difficultés de la technique antérieure en disposant devant chaque point de distribution un mélangeur comportant un conduit contenant plusieurs éléments curvilignes en forme de feuille^orientés longi-5 tudinalement audit conduit et suivant chacun une courbure qui modifie la direction d'écoulement de la matière dans le conduit. Les éléments sont disposés par groupes alternés 'de courbure à droite et à gauche (un groupe comprenant un ou plusieurs éléments), les bords avant et arrière des éléments adjacents des 10 groupes voisins formant un angle important entre eux. Les parois du conduit sont en contact avec un milieu d'échange de chaleur afin de régler la température de la matière s'écoulant dans le conduit. Cette matière est pompée à des valeurs du nombre de Reynolds qui sont inférieures à l'unité. 15 La disposition décrite ci-dessus soumet la matière, qui est soit un polymère fondu, soit du verre fondu, à un traitement dans lequel elle subit une rotation successivement dans des directions alternées vers la droite et vers la gauche en travers et du conduit/ est partagée en deux entre chacun de ces changements 20 de direction et dans lequel l'écoulement au centre de chaque segment tournant est accéléré et l'écoulement le long des bords de ce segment est ralenti de façon que chaque particule de la matière soit obligée de se déplacer continuellement du'centre de ce courant vers les bords pour revenir ensuite vers le cen-25 tre et que chaque particule soit soumise à des accélérations et décélérations sensiblement égales afin que la durée de séjour soit la même pour chaque particule pendant qu'elle parcourt le conduit. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressor-30 tiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif,mais nullement limitatif, des formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : la figure 1 est un schéma d'une forme de réalisation de 35 la présente invention comprenant une installation destinée à distribuer un polymère fondu ; la figure 2 est une coupe transversale d'un mélangeur 72 02462 4 2133565 incorporé dans l'installation de la figure 1 ; la figure 3 représente le front d'une matière visqueuse s'écoulant dans un conduit vide ; la figure 4 représente le front d'une matière visqueuse 5 s'écoulant dans le mélangeur de la présente invention ; et la figure 5 est un diagramme permettant d'expliquer l'accélération et la décélération de la matière fondue s'écoulant dans un mélangeur de la présente invention. Dans l'installation de distribution d'un polymère fondu 10 représentée schématiquement sur la figure 1, un conduit 1 est alimenté en polymère fondu à partir d'un réacteur classique ou d'une extrudeuse 1a. Dans un cas type, le dispositif 1a chauffe 907 kg de polymère à l'heure à une température d'environ 300°C et l'introduit dans l'entrée du conduit 1. Des additifs peuvent 15 être éventuellement injectés dans l'installation au point de jonction 2 par l'intermédiaire d'un conduit d'admission 3. le courant du polymère fondu passe ensuite dans le nouveau mélangeur de la présente invention en 4 et est acheminé vers un collecteur de distribution 5, par exemple un distributeur à quatre 20 voies. Chacun des bras de distribution 6, 7, 8 et 9 est relié à une autre installation de distribution. Cette installation supplémentaire n'est illustrée que pour le bras 6. le courant du polymère fondu s'écoulant dans le bras 6 passe par un autre mélangeur 10 du même type que le mélangeur 4 dans un autre 25 collecteur de distribution 11 qui est également par exemple un distributeur à quatre voies ayant des bras de distribution 12, 13, 14 et 15. Chacun de ces bras est relié à une autre installation de distribution, seule celle reliée au bras 12 étant illustrée sur la figure 1. le courant du polymère fondu passant 30 dans le bras 12 est acheminé vers un autre mélangeur 16 du même type que les mélangeurs 4 et 10, traverse un filtre à sable 17 d'un type classique, une pompe doseuse 18 d'un type classique et un autre mélangeur 19 selon la présente invention pour entrer dans une filière 20 d'un type classique qui extrude et distribue 35 plusieurs filaments 21 du polymère. Bien que l'on n'ait représenté que deux collecteurs de distribution à bras multiples sur la figure 1, il est évident que 1'installation type est 72 02462 5 2133565 habituellement plus complexe et qu'elle peut comporter 64 filières ou plus. Ainsi, le courant du polymère entrant dans le conduit 1 est soumis à de nombreux partages et peut parcourir des centaines de mètres de canalisation avant de sortir des filières 5 sous forme de filaments. La figure 2 montre les détails de l'un des mélangeurs de la présente invention', par exemple le mélangeur 4. Il comporte un prolongement du conduit 1 qui a de préférence une section droite cylindrique, le courant du polymère fondu étant présenté 10 comme entrant par la partie supérieure de la figure 2. le distributeur 5 est représenté au bas de la figure 2. Immédiatement en amont du distributeur 5, se trouvent dans le conduit 1 plusieurs éléments 22 en forme de feuille curviligne disposés successivement. Des parties du conduit 1 et de la structure 15 qui 1'entoure sont représentées en arrachement pour ne montrer que quelques-uns de ces éléments. Chacun de ces éléments est constitué par une feuille ou tôle plate dont la largeur peut être égale au diamètre interne du conduit 1 et dont la longueur correspond de préférence à 1,5 fois sa largeur,mais peut être 20 plusieurs fois supérieure à sa largeur. Chaque élément est tordu de façon que ses bords amont et aval forment un angle important entre eux. Cet angle peut varier entre 60° et 210° environ. Chaque élément successif est également tordu dans le sens opposé par rapport à l'élément précédent,et les bords adjacents des 25 éléments successifs sont disposés à un angle important,de préférence de 90° l'un par rapport à l'autre. Au lieu d'inverser la torsion de chaque élément successif, plusieurs éléments tordus dans un sens peuvent être suivis par plusieurs éléments tordus dans le sens opposé. En conséquence, les éléments peuvent être 30 considérés d'une façon générale comme étant disposés par groupes alternés de courbure à droite et à gauche, étant bien entendu qu'un groupe peut être formé d'un ou plusieurs éléments. A cause de la chaleur engendrée dans le polymère fondu pendant qu'il s'écoule dans l'installation de la figure 1, il est 35 souhaitable de refroidir les conduits transportant le polymère de manière à maintenir ce dernier à une température convenable, par exemple de 300°C, en faisant circuler un fluide de refroidissement dans des chemises entourant lesdits conduits. Sur la 72 02462 6 2133565 figure 2, le conduit 1 et les bras de distribution 7 et 9 sont représentés comme étant entourés d'une chemise 23 laissant un espace 24 autour du conduit 1 et des bras 7 et 9>dans lequel circule un liquide de refroidissement maintenu à une tempéra-5 ture de 280° à 290°C par exemple. les résultats qualitatifs obtenus par la construction ci-dessus peuvent être décrits en se référant aux figures 3 et 4. la figure 3 montre un conduit vide 1 dans lequel s'écoule le polymère fondu très visqueux 25. A cause des forces de viscosité, 10 comme on l'a expliqué plus haut, le polymère forme un front parabolique 26, la vitesse d'écoulement au centre du conduit étant sensiblement plus grande qu'au voisinage immédiat de la paroi. le fait que la température régnant au centre du courant a tendance à devenir beaucoup plus élevée que la température 15 régnant au voisinage immédiat de la paroi est d'une importance égale sinon plus grande. Théoriquement, il serait souhaitable que l'écoulement s'effectue en bloc de manière que chaque particule du polymère parcourt le conduit à la même vitesse que toutes les autres. En outre, dans la condition idéale, serait 20 égal à Tg' Sur la figure 4 qui montre les conditions obtenues en utilisant la présente invention, on voit que le polymère fondu 25 forme un front sensiblement différent 27 qui est très aplati et qui ressemble en réalité à un écoulement en bloc. En outre, la différence entre et est sensiblement moins grande 25 sur la figure 4 que sur la figure 3 et se trouve dans les limites qui évitent sensiblement les défauts dus à une différence excessive entre ces températures. En outre, ces effets sont produits avec de très faibles chutes de pression dans le dispositif de la présente invention. 30 On présume que les résultats ci-dessus sont dus au fait que le passage le long d'un élément 22 du mélangeur décrit ci-dessus se fait le long de deux canaux semi-circulaires séparés par une cloison tordue. Une coupe transversale de l'un de ces canaux semi-circulaires est représentée schématiquement en trait 35 plein sur la figure 5. Comme on l'a décrit plus haut, la vitesse d'écoulement atteint une valeur maximale au centre c et une valeur minimale aux limites du canal, par exemple en b. 72 02462 2133565 A mesure que le fluide s'écoule le long de l'élément, chaque tranche semi-circulaire du fluide subit une rotation correspondant à l'angle de torsion de l'élément 22, par exemple de 180°. A la fin de chaque élément, le fluide rencontre le bord avant de 5 l'élément suivant qui, par exemple, peut être perpendiculaire à son bord arrière. Ce bord avant est représenté par le pointillé 28 sur la figure 5. Ainsi, la tranche semi-circulaire du fluide arrivant à l'extrémité de chaque élément est partagée en tranches d'un quart de cercle, lorsque le fluide entre dans cet 10 élément suivant, les deux tranches d'un quart de cercle se combinent pour former une nouvelle tranche semi-circulaire. Cette dernière est représentée comme se trouvant entre les' points 29 et 30 sur la figure 5. Maintenant, on voit que la partie du fluide qui s'écoulait à la vitesse maximale au point c se trou-1 5 ve elle-même à la limite de la nouvelle tranche semi-circulaire où elle a tendance à s'écouler à la vitesse minimale, tandis que le fluide s'écoulant à la vitesse minimale au point b se trouve au centre de la nouvelle tranche semi-circulaire où il a tendance à s'écouler à la vitesse maximale. En conséquence, au fur 20 et à mesure que le fluide s'écoule le long des éléments successifs, diverses parties du fluide sont soumises à des accélérations et décélérations alternées en ayant ainsi tendance à rendre égales les durées de séjour totales à ces endroits. le fluide est non seulement soumis à des variations longi-25 tudinales de vitesse, mais les vecteurs de vitesse produits continuellement tendent à repousser la matière du centre de la tranche semi-circulaire vers la couche limite. En même temps, le sens de rotation de l'écoulement est inversé à chaque jonction des éléments par suite de la courbure alternée à droite 30 et à gauche de ces derniers. On a remarqué que la rotation du fluide le long d'un élément donné est opposée au sens de torsion dudit élément. Ainsi, le long d'un élément tordu dextrorsum, onremarque que les moitiés du fluide tournent sinistrorsum, tandis que le long d'un élément tordu sinistrorsum, le fluide 35 tourne dextrorsum. Ceci a pour effet de renverser continuellement et entièrement le courant dans le sens radial de manière que chaque particule du courant soit repoussée du centre vers la paroi externe pour revenir vers le centre d'une manière continue 72 02462 8 2133565 D'une façon générale, chaque particule est soumise ainsi au même degré d'accélération et de. décélération pendant qu'elle traverse le mélangeur, de manière que la durée de séjour et la succession de ces états thermiques soient sensiblement les mêmes 5 pendant la totalité de sa course dans l'installation. Un autre effet est dû. à la variation de la longueur du trajet selon la position d'une particule donnée sur'la surface d'un élément pendant son passage le long des éléments, la longueur du trajet est différente autour de l'élément selon sa position 10 par rapport au centre de ce dernier. Par suite, on a remarqué que les pointes du fluide sont constamment mélangées en arrière et en avant en améliorant encore les effets décrits plus haut. Plusieurs éléments sont nécessaires pour produire les effets désirés. Il peut être suffisant d'utiliser un nombre minimal 15 de huit environ, bien qu'un plus petit nombre assure un certain degré d'amélioration par rapport à une conduite vide, le nombre courant des éléments dans chaque mélangeur situé près de chaque point de distribution peut être de l'ordre de douze à quinze ou plus. 20 Dans une certaine mesure, les difficultés que présente la distribution"des polymères fondus existent également avec d'autres matières fondues très visqueuses. Par exemple, dans le cas du verre fondu, la qualité du verre produit dépend de l'homogénéité du verre à la sortie d'un point de distribution. Un manque d'homo-25 généité peut provoquer l'apparition de cordes ou puces qui altèrent la qualité du verre, la présente invention peut également s'appliquer à la distribution d'un tel verre fondu. Une installation de distribution du verre peut utiliser une construction sensiblement analogue à celle représentée sur la figure 2 dans 30 laquelle le verre fondu est introduit par l'entrée supérieure du conduit 1 et est distribué par l'extrémité inférieure du conduit 1 pour être soumis à un traitement ou formage supplémentaire. Habituellement, dans le cas du verre, le milieu de transmission de chaleur entourant le conduit 1 est maintenu à 35 une température plus élevée de manière que le verre fondu soit chauffé pour le maintenir à la température de fusion désirée. A cause des effets décrits en détail ci-dessus, le verre 72 02462 9 2133565 distribué à l'extrémité inférieure du conduit 1 présente une homogénéité remarquable et est -sensiblement exempt de cordes ou puces qui pourraient affecter nuisiblement la qualité du produit. 5 II est évident que l'expression "sortie de distribution", telle qu'elle est utilisée dans le présent mémoire, doit être considérée d'une façon générale comme comprenant toute sortie par laquelle la matière s'écoule pour être soumise à un traitement supplémentaire, indépendamment du fait que le courant à 10 ces sorties soit partagé en plusieurs courants. Dans diverses applications, le milieu d'échange de chaleur entourant l'extérieur du conduit 1 peut avoir diverses formes. Par exemple, il peut être constitué simplement par l'air ambiant ou il peut s'agir d'une matière calorifuge ou d'un élément 15 de chauffage électrique. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 72 02462 10 2133565 REVENDICATIONS 1. Installation de distribution d'une matière liquide fondue très visqueuse dont la viscosité est fonction de la température, installation caractérisée en ce qu'elle comporte un premier 5 dispositif destiné à chauffer un courant de cette matière à l'état fondu très visqueux, un conduit reliant le premier dispositif à une sortie de distribution pour acheminer ladite matière vers un autre dispositif de traitement, le conduit contenant en amont de la sortie de distribution plusieurs éléments en forme 10 de feuille curviligne orientés longitudinalement par rapport au conduit, chaque élément ayant une courbure susceptible de faire tourner le sens d'écoulement de la matière dans le conduit, lesdits éléments étant disposés par groupes alternés de courbure à droite et à gauche, les bords avant et arrière des éléments 15 adjacents des groupes voisins étant disposés à un angle important l'un par rapport à l'autre, et la paroi du conduit étant en contact avec un milieu d'échange de chaleur destiné à régler la température de la matière passant dans le conduit. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en 20 ce que lesdits éléments sont disposés de manière à alterner les éléments de courbure à droite et les éléments de courbure à gauche. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite matière est un polymère fondu. 25 4. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ladite matière est du verre fondu. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte également un dispositif destiné à provoquer .un débit de la matière dans le conduit à une valeur du 30 nombre de Reynolds inférieure à l'unité. 6. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que des conduits supplémentaires et des sorties de distribution branchés en série sont reliés à ladite sortie de distribution et en ce que chacun d'eux est de même construction que le 35 conduit et la sortie de distribution mentionnés en premier lieu. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la matière est un polymère fondu et en ce que la. 72 02462 n 2133565 dernière sortie de distribution est reliée à une filière engendrant des filaments. 8. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le nombre des éléments successifs disposés dans le 5 conduit est supérieur à sept. 9. Procédé de distribution d'une matière fondue très visqueuse, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer la matière à sa température de fusion, à pomper ladite matière dans un conduit à un débit correspondant à une valeur du nombre de 10 Reynolds inférieure à l'unité, à faire tourner ladite matière successivement dans des directions alternées à droite et à gauche en travers du conduit à mesure qu'elle le parcourt, à partager en deux le courant de la matière entre chacun de ces changements du sens de rotation et à accélérer le débit au centre 15 de chaque segment tournant de ladite matière et à le décélérer le long des bords de chacun desdits segments tournants de façon que chaque particule de la matière soit soumise à des accélérations et décélérations sensiblement égales sur son parcours dans ledit conduit, afin que la durée de séjour de chaque particule 20 soit la même dans ledit conduit, et un dispositif acheminant la matière du conduit à une sortie de distribution pour la soumettre à un traitement supplémentaire. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matière est un polymère fondu ou du verre fondu.