Brevet FR2175553A1 — publié le 19731026

La présente invention concerne un mélangeur à chioa- nes et un procédé de construction d'un tel mélangeur. On entend par Mélanger à chicanes un mélangeur dont les organes sont fixes, par lequel on fait passer un courant de gaz, de liquide ou de particules solides, la configuratien de ce mélangeur étant telle que ce courant soit divisé puis recombiné pour assurer une opération de mélange. Divers types de tels mélangeurs sont connus et ont par exemple été décrits dans les brevets américains n0 3 051 452, 3 195 865, 3 358 y49 et 3 394 924. Ces mélangeurs à chicanes sont généralement obtenus en disposant dans un induit ou dans une canalisation une chicane ou autre élément déflecteur dtune configuration appropriée.Très souvent, pour la construction de tels mélangeurs, il est nécessaire de mouler à la machine ou à la presse, de couler ou de former des feuilles ou des plaques pour obtenir des chicanes de la configuration désirée. Dans les brevets américains nO 3 358 749 et 3 394 924 précités, on décrit une fabrication dé mélangeurs statiques par déformation de tubes. Le plus souvent, omette déformation de tubes convient pour des mélangeurs de diamètre relativement faible et travaillant sous faible pression.La construction de mélangeurs de grand diamètre a généralement été limitée à l'insertion de chicanes préformées telles que décrites par exemple dans le brevet américain nO 3 051 452 précité. I1 advient fréquemment, lorsque des chicanés doivent ttre insérées dans un conduit, que l'on rencontre d'importantes difficultés pour fixer ces chicanes dans la position désirée quand l'accès à l'intérieur du tube, pour les nécessités de cette fabrication, n'est pas commode. L'invention permet de remédier aux défauts et aux inconvénients des dispositifs actuellement connus. Elle a notamment pour objet un procédé de fabrication d'un mélangeur à chicanes, essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes: a) utilisation deux conduit tubulaire creux comportant une paroi, b) formation dans la paroi de ce conduit d'une première série de fentes, ces fentes étant disposées sensiblement radialement et de manière à former un angle notablement inférieur à 90 avec l'axe longitudinal du conduit, les fentes de cette première série, en projection orthogonale, étant disposées suivant des plans formant entre eux un certain angle, c) utilisation d'une première série de cloisons dont chacune est disposée dans une fente de la première série de fentes, d)fixation desdites cloisons en contact hermétique avec la paroi du conduit pur former une première chicane conventionnellement appelée "chicane droite", e) formation, dans la paroi du conduit et au voisinage de la première chicane, d'une seconde série de fentes qui sont disposées d'une manière sensiblement analogue à celles de la première série de fentes mais tournées autour de l'axe du conduit et disposées en sens inverse par rapport aux première et seconde fentes de la première série, f) disposition d'une seconde série de cloisons dans la seconde série des fentes ménagées dans la paroi du conduit, g) fixation de la seconde série de cloisons i la paroi du conduit, h) formation d'une troisième série de fentes en position adjacente à celles de la seconde série et éloignée de la première série de fentes, les fentes de cette troisième série étant sensiblement orientées de la meme manière que celles de la première série, i) disposition d'une troisième série de cloisons dans la troisième série de fentes et, j) fixation de ces cloisons à la paroi du conduit pour former une troisième chicane de configuration droite, la configuration de la seconde chicane étant l'inverse optique de celle des première et troisième chicanes. L'invention a aussi pour objet un mélangeur à chicanes caractérisé par le fait qu'il comprend a) un conduit tubulaire creux délimitant un passage longitudinal, b) au moins une première série de cloisons inclinées en sens contraire ri une de l'autre par rapport à l'axe longitudinal du conduit pour former une première chicane, ces cloisons comprenant au moins un bord tourné vers l'intérieur, les bords de la première série de cloisons étant tout proches l'un de l'autre, la-première chicane étant conventionnellement appelée chicane droite", c) une seconde chicane adjacente à la première et de construction identique, à cette différence près que les cloisons en sont disposées en configuration gauche et leurs bords étant inclinés d'un certain angle sur l'axe du conduit et par rapport aux bords des cloisons de la première chicane, d) une troisième chicane formée de cloisons et de construction analogue à celle de la première chicane, disposée en position adjacente à la seconde chicane et éloignée de la première et dont les cloisons sont disposées sensiblement suivant le me angle, par rapport à l'axe du conduit, que celles de la première chicane. La description qud va suivre, en regard du dessin annexé à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre comment l'invention peut titre mise en pratique. Les figures 1, 2 et 3 représentent schématiquement, les deux premières en section longitudinale suivant deux plans diamétraux perpendiculaires entre eux, la troisième en section transversale, un segment de mélangeur à chicanes correspondant à un premier mode de réalisation de l'invention. Les figures 4 à 7 représentent, en section transversale, des mélangeurs à chicanes correspondant à d'autres variantes de l'invention. Le mélangeur 10 tel que représenté aux figures 1 à 3 comprend un conduit 12 sensiblement cylindrique avec une paroi 13, une première extrémité 14 et une seconde extrémité 15. Ce conduit 12 délimite un passage longitudinal 17. Une première fente 18 est ménagée dans la paroi 13 au voisinage de la première extrémité 14 du conduit 12. Cette fente 18 est, d'une manière générale, inclinée d'un certain angle par rapport à l'axe longitudinal A du conduit 12 et d'un certain angle par rapport à un plan perpendiculaire à cet axe A. Une première cloison 19 est disposée dans cette fente 18 et y est fixée par insertion en contact hermétique. Cette cloison lg comprend un premier bord 21, intérieur, et un second bord 22, extérieur et d'une configuration générale semi-elliptique. Une seconde fente 25 est ménagée à l'opposé de la fente 18, elle est inclinée sensiblement d'un mtme angle par rapport à l'axe A et à un plan perpendiculaire à cet axe A lorsquton la regarde dans une direction sensiblement radialn et elle recoit une seconde cloison 26 comprenant un bcrd intérieur 27, d'une configuration sensiblement rectiligne, et un bord ext#-ieur 28, d'une configuration sensiblement semi-elliptique. Les cloisons 19 et 26 forment, par leur combinaison, une première chicane 30. Au voisinage de celle-ci, le conduit cylindrique 12 comprend une première fente 31 et une seconde fente 32 qui sont inclinés l'une sur l'autre dtwn certain angle, c'est-à-dire inclinées d'un certain angle par rapport à 11 axe A du conduit cylindrique 12 et par rapport à un plan perpendiculaire à cet axe A. Par rapport aux fentes 18 et 25, ces fentes 31 et 32 sont pivotées dtun angle d'environ 900 autour de l'axe A et sont en une configuration de sens opposé à celle formée par les fentes 18 et 25. Une troisième cloison 33 de configuration sensiblement identique à celle de la cloison 19 est disposée dans la fente 31.Cette cloison 33 comprend un bord sensiblement rectiligne 34 disposé en dedans du passage 17 et un bord 35, sensiblement semi-elliptique, introduit en contact étanche dans la paroi 13 du conduit 12. Une quatrième cloison 37 est disposée dans la fente 32 et en opposition avec la troisième cloison 33. Cette quatrième cloison 37 comprend un bord rectiligne 38 tourné vers l'intérieur et un second bord 39, sensiblement semi-elliptique, en contact étanche avec la paroi 13 du conduit 12, constituant ainsi une seconde chicane, de configuration sauce, 40. En position adjacente à cette chicane 40 et éloignée de la chicane 30 se trouve une chicane 41 de structure et d'orientation analogues à celles de la chicane 30. Les mélangeurs conformes à l'invention comprennent donc d'une manière générale une alternance de chicano de m!me configuration, une chicane à configuration droite faisant suite à une chicane à configuration gauche et vice versa, les bords rectilignes des cloisons de ces chicanes étant pivotés -- d' un certain angle autour de l'axe du conduit. L'angle de cette rotation, pour beaucoup dtapplications, est de 900,mais il peut varier entre 30 et 1600. Pour la mise en oeuvre de l'invention, il est essentiel èt critique que les cloisons constituant chaque chicane soient disposées de manière à former un certain angle tant avec l'axe longitudinal qutavec un plan perpendiculaire à cet axe.La déviation angulaire du bord rectiligne, tel que l'un des bords 21, 27, 34 et 38, est habituellement comprise entre environ 30e et 700 et, avantageusement, entre 350 et 550, la déviation étant mesurée par le déplacement angulaire'du bord rectiligne par rapport à llaxe longitudinal du conduit. Pour un tube d'un diamètre déterminé, plus la déviation angulaire est grande et plus l'on peut former de chicanes par unité de longueur, et l'on peut ainsi obtenir un nombre accru d'étapes de mélange. Toutefois, si lton observe un angle moindre, on doit appliquer de plus grandes vitesses d'écoulement avant que ne se produise un écoulement turbulent. La figure 3 représente une vue frontale de la chicane 30 de la figure I et montrant la disposition relative des cloisons 19 et 26. Dans le mode de réalisation correspondant à la figure 4, on voit une section diamétrale correspondant à une variante de l'invention désignée par 45. Le mélangeur suivant ce mode de réalisation comprend un conduit 12a sensiblement cylindrique, une série de chicanes constituées chacune par deux cloisons 46 et 47 disposées de manière contrariée et par alternance tellé que le dispositif de la figure 1 dans lequel chacune des cloisons se termine par un bord 48 et, respectivement 49 qui définissent, lorsque regardées axialement, une ouverture sensiblement circulaire 51 entre les bords adjacents 48 et 49 des cloisons 46 et 47. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsqu'on désire un montage rapide.Par exemple, on peut disposer une tige pleine ou un conduit entre des cloisons adjacentes pour fournir un repérage pour celles-oi au cours de la fabrication. Cette tige ou ce conduit peut titre ensuite retiré ou encore, si l'on utilise un conduit, on peut le laisser en place, ce qui est le cas du conduit 52 de la figure 4, et l'utiliser pour réaliser des échanges de chaleur. Inversement, on peut assembler des cloisons à une tige ou à un tube et les insérer ensuite dans un conduit enveloppant, tel que le conduit 12a, où les pertes de charge sont relativement faibles. 1e support des cloisons peut titre constitué entièrement par la tige ou conduit central 52.Dans des cas où l'on a affaire à tassez fortes pertes de charge, les cloisons doivent astre fixées au conduit extérieur tel que le conduit l2a. Dans une variante correspondant à la figure 5 et désignée d'une manière générale par 55, un conduit 12b sensible ment cylindrique comprend une série de cloisons disposées d'une manière analogue à celles de la figure 1, ces cloisons comprenant une première cloison 56, relativement grande, et une seconde cloison 57, relativement petite, la cloison 56 étant une partie d'ellipse un peu plus grande qu'une demi-ellipse et se terminant par un bord rectiligne 58, tandis que la cloison 57 eorrespond à ce qui reste de 11 ellipse après que l'on ait séparé de celle-ci la cloison 56.Les traits discontinus 61 représentent ltemplaeement des bords rectilignes des deuxième et quatrième chicanesdtun mélangeur dont les éléments sont alternés de la manière représentée à la figure 1 et dont les cloisons ont la configuration représentée sur cette figure 5 et le trait discontinu 62 représente les bords des cloisons constituant les troisième, cinquième, septième et autres chicanes de numéro tordre impair. Le dispositif correspondant au mode de réalisation de la figure 5 est particulièrement avantageux lorsqu'il convient de mélanger des matières visqueuses qui ont tendance à ne pas se mélanger dans la partie centrale. Dans une autre variante correspondant à la figure 6 et désignée d'une manière générale par 65, le mélangeur comprend un tube 67 de section rectangulaire, dans lequel sont disposées, de manière identique à celle des cloisons 19 et 26 de la figure 1, une première cloison 68 et une seconde cloison 69. Une troisième cloison 71 est disposée derrière la cloison 68 dans une position sensiblement analogue à celle que détermine la fente 91 des figures 1 et 2. Une quatrième cloison 72 correspondant à la cloison 32 des figures 1 et 2 est placée en position-adja- cente à la cloison 71. Un passage 73 est délimité par la première paire de cloisons, 68 et 69. Un passage analogue 74 est délimité entre les cloisons 71 et 72. Les passages 73 et 74 sont disposés sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre et ils coupent sensiblement en deux parties égales les cités opposés des cloisons 68 et 69. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsqu'on désire que le mélange des courants soit maximum au voisinage de leur partie extérieure et minimum vers le centre. Un tel mélangeur convient par exemple pour l'application d'un revAetement bien régulier, dans une direction sensiblement axiale, sur un fil métallique ou sur un tuyau. On peut par exemple alimenter un tel mélangeur en formant un courant coaxial de diverses matières, un composant, que l'on désire mettre en contact avec un objet tel qu'un tuyau ou un fil métallique étant disposé au centre, la matière dont on désire former la surface extérieure étant disposée à la périphérie.On fait passer par ce mélangeur le fil ou le tuyau et le courant de matières, le fil ou le tuyau passant par la partie commune des passages 73 et 74 et les courants coaxiaux étant entremtles au degré désiré dans la zone de leur interface, suivant le nombre de chicanes que doit traverser le courant. La figure 7 représente schématiquement une vue frontale d'un mélangeur 80 correspondant à un autre mode de réalisation de l'invention. Ce mélangeur 80 comprend un premier conduit, extérieur, 81 et un second conduit, intérieur, 82. Ces conduits 81 et 82 sont sensiblement coaxiaux. La première chicane du mélangeur 80 est constituée par trois cloisons 83, 84 et 85 dont chacune présente la forme d'un demi-cercle. Chacune des cloisons 83, 84 et 85 est située dans un plan incliné sensiblement suivant un mtme angle par rapport à l'axe des conduits 81 et 82 et de la manière dont le sont les cloisons de la figure 1. La périphérie des cloisons 83, 84 et 85 est engagée dans des fentes, non représentées, ménagées dans le conduit 82 pour assurer un espacement circonférentiel suivant un angle d'environ 120 . D'autres chicanes à trois cloisons de disposition alternée (non représentées) sont prévues et sont sensiblement disposées de la meme manière que les chicanes des figures 1 et 2, le bord d'attaque de chaque cloison étant situé sensiblement à mi-distance (angulairement lorsqu'on l'observe suivant lXaxe des conduits) entre deux bords de fuite de cloisons d'une chicane immédiatement adjacente.Pour la construction d'un mélangeur tel que représenté à la figure 7, on peut fixer les cloisons dans la paroi du conduit 82, insérer l'élément résultant dans le conduit 81 et, le cas échéant, fixer cet ensemble au conduit 81 de toute manière appropriée, par exemple par collage ou par soudage. Selon une autre variante, on peut insérer les cloisons dans des fentes ménagées dans les parois des deux conduits et les fixer par tout moyen approprié, par exemple par collage ou par brasage. Le mode de réalisation correspondant au mélangeur 80 de la figure 7 convient particulièrement bien à l'application comme échangeur de chaleur, lorsqu'on désire obtenir une tempé rature uniforme au sein dXun liquide visqueux. On peut avantageusement faire passer le liquide visqueux dans le conduit 82 et le liquide échangeur de chaleur entre les conduits 81 et 82, que ce soit dans le mtme sens ou à oontre-courant. On peut fabriquer aisément, dsune manière analogue, des mélangeurs comprenant quatre, cinq, six et mEme davantage de cloisons par chicane. Les mélangeurs construits selon l'invention sont particulièrement avantageux par le fait qu'ils peuvent titre aisément fabriqués à partir de pratiquement n'importe quelle matière, y compris le verre, les métaux, les résines thermoplastiques et les résines thermoduroissables, que celles-ci soient renforcées par de la fibre de verre ou non. La construction de tels mélangeurs s'effectue aisément au-moyen d'un tube et de plaques, le tube étant creusé de fentes et les plaques étant fixées dans ces fentes de toute manière appropriée, par exemple par collage, par soudage autogène, par brasage, par soudage à l'étain ou par tout autre procédé approprié à la nature des matières utilisées.Dans la construction d'un mélangeur à partir d'un conduit cylindrique, chacune des cloisons d'une mme paire peut avoir la configuration d'une partie d'ellipse ou titre au contraire, si on le désire, rectangulaire, la partie de ces cloisons dépassant des tubes ou conduits utilisés servant de support au mélangeur ainsi fabriqué. Les mélangeurs selon l'invention sont utiles pour le mélange de matières solides, liquides ou gazeuses. Lorsquson les utilise pour mélanger des courants de particules de matières solides, il n'est pas nécessaire de réaliser une liaison étanche aux liquides entre les cloisons et le conduit, mais seulement de veiller à ce que tout espace libre éventuellement présent entre le tube et les cloisons soit d'une dimension suffisamment faible pour empocher toute fuite des matières traitées. L'invention est particulièrement intéressante par le fait que, pour mélanger des produits liquides sous pression, il est facile de ménager des fentes dans des tuyaux métalliques, tels que des tuyaux en acier ordinaire ou en acier inoxydable, d'insérer dans ces fentes des cloisons et de les y souder pour former un ensemble dont la résistance à l'éclatement soit au moins égale à celle du tuyau initial. - REVENDICATIONS - 1. Mélangeur à chicanes, caractérisé par le fait qu'il comprend a) un conduit tubulaire creux délimitant un passage longitudinal, b) au moins une première série de cloisons inclinées en sens contraire l'une de l'autre par rapport à l'axe longitudinal du conduit pour former une première chicane, ces cloisons comprenant au moins un bord tourné vers l'intérieur, les bords de la première série de cloisons étant tout proches l'un de vautre, la première chicane étant conventionnellement appelée "chicane droite, c) une seconde chicane adjacente à la première et de construetion identique, à cette différence près que les cloisons en sont disposées en configuration gauche et leurs bords étant inclinés d'un certain angle sur l'axe du conduit et par rapport aux bords des cloisons de la première chicane, d) une troisième chicane formée de cloisons et de construction analogue à celle de la première chicane, disposée en position adjacente à la seconde chicane et éloignée de la première et dont les cloisons sont disposées sensiblement suivant le meme angle, par rapport à l'axe du conduit, que celles de la première chicane. 2. Mélangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les cloisons sont fixées au conduit. 3. Mélangeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que les cloisons sont fixées dans des fentes ménagées dans la paroi du conduit. 4. Mélangeur selon lune quelconque des revendications 1 d 3, caractérisé par le fait que le conduit est un tube de section circulaire. 5. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 i 3, caractérisé par le fait que les cloisons présentent une configuration semi-elliptique. 6. Mélangeur selon lsune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend une tige axiale disposée entre des paires adjacentes de cloisons. 7. Procédé de construction d'un mélangeur à chicanes, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes a) utilisation d'un conduit tubulaire cireux comportant une paroi, b) formation,dans la paroi de ce conduit, d'une première série de fentes, ces fentes étant disposées sensiblement radialement et de manière à former un angle notablement inférieur à 900 avec 11 axe longitudinal du conduit, les fentes de cette première série, en projection orthogonale, étant disposées suivant des plans formant entre eux un certain angle, c) utilisation d'une première série de cloisons dont chacune est disposée dans une fente de la première série de fentes, d) fixation desdites cloisons en contact hermétique avec la paroi du conduit pour former une première chicane conventionnellement appelée t'chicane droite", e) formation, dans la paroi du conduit et au voisinage de la première chicane, d'une seconde série de fentes qui sont disposées d'une manière sensiblement analogue à celles de la première série de fentes mais tournées autour de l'axe du conduit et disposées en sens inverse par rapport aux première et seconde fentes de la première série, f) disposition d'une seconde série de cloisons dans la seconde série des fentes ménagées dans la paroi du conduit, g) fixation de la seconde série de cloisons à la paroi dB conduit, h) formation d'une troisième série de fentes en position adjacente à celles de la seconde série et éloignée de la première série de fentes, les fentes de cette troisième série étant sensiblement orientées de la m8me manière que celles de la première série, i) disposition d'ùne troisième série de cloisons dans la troisième série de fentes et, j) fixation de ces cloisons à la paroi du conduit pour former une troisième chicane de configuration droite, la configuration de la seconde chicane étant l'inverse optique de celle des première et troisième chicanes