Brevet FR2182112A1 — publié le 19731207

i 2182112 La présente invention concerne un appareil du genre cyclone, pour la séparation de particules à grain fin. De tels appareils sont connus pour servir à l'extraction ainsi qu'à la séparation de particules à grain fin. Ils compor-5 tent en général une chambre cylindrique de cyclonage pourvue d'une entrée axiale pour l'admission des particules, laquelle entrée est aménagée dans l'une des faces frontales de ladite chambre de cyclonage, et un tube axial de sortie du gaz épuré et des particules non encore extraites, qui est monté sur l'au-10 tre face frontale de la chambre. En outre, des arrivées d'air secondaire sont agencées sur la paroi de la chambre de cyclonage-, e-lles sont tangentielles et dirigées obliquement vers, et à 1'encontre de, l'entrée d'admission des particules. Pour évacuer les particules séparées dans la chambre de cyclonage, il 15 est prévu un espace annulaire qui entoure l'entrée des particules et débouche dans une trémie. Sous l'effet de l'introduction du gaz brut chargé de particules et de l'introduction d'air secondaire, laquelle se fait dans une direction opposée, il se forme, dans la chambre de cyclonage, ce que l'on appelle un 20 écoulement rotatif qui est constitué d'un courant interne, axial et hélicoïdal, de fluide en rotation et d'un courant externe , également hélicoïdal dans la zone avoisinant la paroi de la chambre de cyclonage, ces deux courants ayant des composantes axiales d'écoulement dirigées en sens inverses. Le courant 25 de gaz brut est mis en rotation, car il passe sur des aubes directrices en franchissant l'orifice d'admission, de sorte que les particules sont, sous l'effet de la force centrifuge, projetées hors du courant rotatif interne et parviennent dans le courant giratoire externe, pour être évacuées par un intervalle 30 annulaire entourant l'entrée d'admission des particules, dans une trémie ou dans un dispositif transporteur approprié, avec une veine de ce courant giratoire externe. De tels appareils de cyclonage présentent un taux d'extraction très élevé, même pour les particules les 35 plus fines, comme le montre le diagramme représenté sur la figure 1. Dans ce diagramme, le taux d'extraction est représenté en fonction du diamètre des particules, et la courbe I représente le taux de dépoussiérage (par fractions granulométriques) d'un cyclone classique. A l'examen de cette courbe, il apparaît que 73 15048 2 2182112 les particules supérieures à 5 microns sont pratiquement extraites à 100 %. Mais il y a aussi extraction, c'est-à-dire entraînement dans la trémie, de particules inférieures à 5 microns. Lorsque l'on procède à une séparation, il faut, par 5 contre, que les particules d'une grosseur de grain inférieure à une certaine valeur donnée ("grain limite") ne soient pratiquement pas extraites, et que les particules dont le grain est supérieur au grain limite soient extraites en totalité.Sur la figure 1, on a représenté en II à titre d'exemple une cour-10 be idéale de séparation correspondant à un grain limite de 10 microns. On a déjà essayé d'adapter un appareil cyclone, pour l'utiliser en séparateur, en réduisant la pression initiale de l'air secondaire et/ou la rotation initiale conférée par les aubes directrices dans l'orifice d'admission des particules, de 15 façon à "dégrader" ainsi le taux de séparation. Le taux de dépoussiérage par fraction granulométrique, que l'on obtient ainsi, est représenté sur la courbe III qui ne constitue toutefois qu'une très médiocre approximation de la courbe de séparation idéale II. Ceci montre donc qu'il ne suffit pas d'opérer à 20 puissance réduite pour parvenir au résultat souhaité et obtenir une courbe de séparation nettement améliorée. La présente invention a donc pour but de perfectionner un appareil de cyclonage du type précité, de façon qu'il puisse aussi être utilisé en séparateur, avec une 25 courbe de séparation améliorée. A cet effet, l'invention propose que l'entrée servant à l'admission des particules soit constituée par un intervalle annulaire étroit, et que les buses d'air secondaire soient agencées sur une couronne annulaire unique. L'invention $0 prévoit que la distance entre l'entrée servant à l'admission des particules et les buses d'air secondaire peut être modifiable, ou ajustable-. Le fait que l'entrée servant à l'admission des particules ait la forme d'un intervalle annulaire étroit a 35 pour résultat que toutes les particules entrant dans la chambre de cyclonage sont pratiquement soumises aux mêmes conditions géométriques initiales, c'est-à-dire que le même mouvement hélicoïdal est communiqué pratiquement à toutes les particules. Quant au fait que les buses d'air secondaire soient agencées 40 sur me seule couronne annulaire, il a pour effet que les seules 73 15048 2182112 particules à être évacuées par la sortie "particules" sont celles qui, dans la chambre de cyc-lonage, ont, sous l'effet de la force centrifuge, eu le temps de sortir de l'écoulement rotatif central avant d'atteindre un niveau exactement défini 5 dans la chambre de cyclonâge. La séparation des- particules en fonction de la dimension de leur grain peut donc alors être plus tranchée qu'en recourant à un cyclone utilisé à puissance réduite. Pour que l'orifice d'admission des parti-10 cules soit réalisé sous la forme d'un espace annulaire étroit, l'invention prévoit de disposer, dans .l'orifice d'admission des particules, un corps d'écoulement ou élément central de forme de révolution (symétrie de rotation), dont la section droite a une surface au moins égale à la moitié de la surface de la sec-15 tion droite du tube d'admission des particules. Ce tube est alors lui-même monté de façon que sa position soit ajustable a-xialement. La réalisation des buses d'air secondaire sous la forme d'une couronne d'aubes directrices agencée entre _ 20 le tube de sortie et la paroi de la chambre de cyclonage, peut aussi être faite de façon que la couronne d'aubes directrices soit fixée sur le tube de sortie et que ce dernier soit, avec ladite couronne d'aubes directrices, monté de façon à être ajustable axialement. Cela permet d'adopter, en vue du réglage du 25 grain limite, une longueur précise pour le séparateur, aussi bien par déplacement du tube d'admission des particules que par déplacement du tube de sortie pourvu des buses d'air secondaire. De plus, pour séparer les particules en fractions différentes, on peut aussi brancher en cascade plu-50 sieurs -unités séparatrices, et cela en adoptant, pour la distance entre l'orifice d'admission des particules et les buses d'air secondaire, une distance croissante d'un étage séparateur à 1'autre. Le tube d'admission des particules peut 35 aussi être réalisé sous une forme dans laquelle il est fermé à l'extrémité inférieure du corps central et présente, en cet endroit, au moins une conduite tangentielle d'arrivée des particules, débouchant dans l'intervalle annulaire compris entre le corps central et le tube d'admission. Le corps central peut, 40 dans ce cas être amovible, c'est-à-dire remplaçable, de façon à 73 15048 4 2182112 permettre de choisir entre plusieurs éléments centraux de diamètres différents, et par conséquent de choisir entre plusieurs conditions initiales des particules à l'entrée du séparateur. D'autres caractéristiques et avantages de 5 l'invention apparaîtront à la lecture des exemples non limitatifs suivants décrits en se référant au dessin annexé sur lequel : la figure 1 représente le diagramme déjà mentionné , relatif au taux d'extraction en fonction de la gros-10 seur du grain des particules ; la figure 2a représente schématiquement en coupe longitudinale, l'architecture d'un séparateur cyclone selon l'invention, avec un tube d'admission déplaçable ; la figure 2b représente le dispositif pré-15 cèdent vu en coupe transversale selon la ligne IIB-IIB de la figure 2a ; la figure 3 représente un exemple de réalisation analogue, dans lequel la couronne pour l'air secondaire et le tube de sortie sont déplaçables ; 20 les figures 4a et 4b représentent une va riante du tube d'admission, avec arrivée tangentielle des particules ; et la figure 5 représente un agencement en cascade de plusieurs séparateurs cyclones. 25 La figure 2 donne une représentation de principe de la.structure d'un tel appareil de cyclonage. Cet appareil présente une chambre cylindrique de cyôlonageJL dans laquelle saille, par le dessous, un tube 2 d'admission des particules à séparer, de diamètre plus faible. Un corps d'écoule-30 ment ou élément central 4, à symétrie.de révolution, est disposé axialement dans la zone 3 dé l'embouchure du tube d'admission 2. Le diamètre de ce corps central est assez important pour ne laisser subsister qu'un intervalle annulaire étroit 5 entre lui-même et la paroi du tube d'admission 2. Des aubes directrices 35 6 peuvent être disposées dans cet intervalle 5» afin de communiquer une composante de rotation au mouvement des particules introduites avec l'air porteur. C'est alors sous la forme, d'un écoulement rotatif 7 que les particules, et l'air qui les porte, pénètrent dans la chambre de cyclonage proprement dite. Les par-40 ticules lourdes sont alors, sous l'effet de la force centrifuge, 73 15048 5 2182112 projetées vers l'extérieur dès qu'elles sont au-dessus de l'orifice 3 du tube d'admission 2, et parviennent à proximité de la paroi intérieure de la chambre de cyclonage. On pourrait aussi obtenir une mise en rotation suffisante, sans aubes di-5 rectrices, rien que par l'effet de la veine d'écoulement extérieure en giration 11 déviée vers l'intérieur, sur l'orifice d'admission 3» A une distance déterminée x, au-dessus de l'orifice 3 du tube d'admission 2, on a disposé une couronne de 10 buses ou tuyères 8 d'air secondaire par lesquelles de l'air secondaire est insufflé dans la chambre de cyclonage, par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation 9 et de la chambre 10, cette insufflation dans la chambre se faisant tangentiellement et obliquement, en direction de l'orifice d'admission 3? de sorte 15 que l'écoulement de l'air secondaire se fait, sous la forme d'un courant giratoire hélicoïdal 11, dans la zone voisine des parois de la chambre de cyclonage, ce courant étant dirigé vers le bas, vers le tube d'admission 3- Les particules déjà expulsées par la force centrifuge sont captées par cet écoulement giratoire 11 et 20 sont évacuées, vers le bas, par un intervalle annulaire 13 entourant le tube d'admission 2 et rétréci par un diaphragme 12, et pénètrent dans une trémie 14 d'où elles peuvent être acheminées à l'extérieur par une sortie 15- Grâce à l'air secondaire amené par la cou-25 ronne de buses 8, toutes les particules 17 qui, en dessous des buses 8, sont déjà expulsées par centrifugation et captées dans l'écoulement giratoire extérieur 11, sont entraînées dans la trémie 14. Les particules plus petites, 18, sur lesquelles la force centrifuge n'a pas agi aussi fortement, et qui se trouvent 30 alors encore dans la zone intérieure de l'écoulement rotatif 7 * sont acheminées à l'extérieur par la sortie 16 aménagée dans la face frontale (de la chambre de cyclonage) qui est en face de l'orifice d'admission 2, et peuvent être extraites dans un dé-poussiéreur classique. 35 L'introduction des particules se faisant par un intervalle annulaire étroit 5» il en résulte qu'elles sont toutes introduites avec un même mouvement en hélice et parviennent toutes dans le même champ de centrifugation|f. Du fait de leurs différences de masse, les particules sont soumises à des 40 forces centrifuges différentes, de sorte que les trajectoires 73 15048 2182112 selon lesquelles ces particules sont projetées vers l'extérieur sont elles aussi différentes. Il en résulte que les particules assez grosses, telles que celles repérées par la référence 17, sont chassées vers l'extérieur, très tôt après leur entrée dans 5 la chambre de cyclonage, tandis que les particules plus petites 18 ne parviennent dans la zone externe eue lorsqu'elles ont atteint un niveau supérieur dans la chambre de cyclonage. Ainsi, pour une géométrie donnée à l'avance et des paramètres d'écoulement connus, on peut déterminer exactement à quelle hauteur, 10 au-dessus de l'orifice d'admission 3, des particules d'une grosseur déterminée auront atteint la paroi de la chambre de cyclonage 1. Ainsi, le courant giratoire extérieur 11 n'extrait que les particules qui ont atteint la paroi de la chambre de cyclonage en dessous de la couronne de buses 8. Ceci signifie que la 15 distance x, comprise entre l'orifice d'admission 3 et la couronne de buses 8, détermine avec précision la valeur minimale de la grosseur de grain au-dessus de laquelle toutes les particules sont extraites. Autrement dit, cette distance permet de fixer, dans des limites assez étroites, la grosseur du "grain limite". 20 Par modification de cette distance x, on peut donc aussi se régler à un autre "grain limite" de séparation . Afin de pouvoir procéder à une telle modification de la distance x, le tube d'admission 2 est, selon l'invention, agencé de façon à pouvoir être déplacé axialement, dans -une monture 17a (figure 3) 25 à la face frontale inférieure de la chambre de cyclonage 1. Ainsi, la distance x entre l'orifice d'admission 3 et la couronne de buses 8 peut être réglée exactement, en fonction des impératifs rencontrés. Un tel appareil de cyclonage, permet d'effectuer une séparation en deux fractions, avec une caracté-30 ristique de séparation correspondant sensiblement à la courbe IV représentée sur la figure 1. Comme on le voit en examinant le tracé de cette courbe, elle correspond à une bien meilleure approximation de la courbe de séparation idéale II, que la courbe III obtenue par réduction de la puissance d'un cyclone classique. 35 Sur la figure 3, on a représenté un autre exemple de réalisation de l'invention, exemple dans lequel la couronne de buses peut aussi.' ; être déplacée axialement. Pour cela, la couronne de buses est, comme le montre le dessin, réalisée sous la forme d'une couronne 20 d'aubes directrices qui 40 est disposée entre le tube de sortie 21 et la paroi de la chambre 73 15048 7 2182112 de cyclonage 1. Cette couronne 20 d'aubes directrices n'est solidaire que du tube de sortie 21 et n'est que guidée contre la paroi de la chambre 1, sans y être liée rigidement. Ainsi, le tube de sortie 21 peut être maintenu dans un organe de gui-5 dage 22 que comporte la face frontale supérieure de la chambre de cyclonage, et être lui aussi ajustable axialement, en même temps que la couronne 20 d'aubes directrices. L'arrivée de l'air secondaire se fait alors par la tubulure de raccordement 23 qui débouche dans la zone supérieure de la chambre de cyclo-10 nage, en amont de la couronne d'aubes directrices 20. De plus, le tube d'admission 2 peut alors être monté fixe, tout aussi bien que mobile axialement. Les figures 4a et 4b représentent une autre variante d'une entrée d'admission des particules. La pièce 15 tubulaire d'admission 31, qui entoure l'éléiaent central 30 à symétrie de révolution, est fermée en- dessous de l'extrémité inférieure de l'élément central 30 et présente, au voisinage du fond, line ou deux arrivées tangentielles 32 et 33 pour les particules. Une telle arrivée tangentielle permet de supprimer 20 les aubes directricês dans l'espace annulaire 34 compris entre le tube d'admission 31 et le corps ou élément central 30, ce qui est particulièrement avantageux lorsqu'il s'agit de matières qui se collent ou s'agglomèrent facilement. On peut alors, en recourant à des éléments 25 de diamètres différents - ce que la figure montre en traits mixtes 30' et 30" - donner des valeurs différentes à l'intervalle annulaire 34 et, par conséquent, communiquer aux particules une composante de rotation plus ou moins intense. La figure 5 représente le montage en cas-30 cade, de plusieurs appareils de cyclonage assurant chacun une séparation à une grosseur de grains différente. Les différents cyclones 401, 40" et 40"* ont chacun la même structure de principe mais diffèrent par les distances x*, x" et x"' entre leurs orifices d'admission de particules 3 et leurs couronnes 35 de buses 8. Comme le montrent les courbes de séparation représentées à côté des différentes unités séparatrices, l'appareil de cyclonage 40' extrait toutes les particules supérieures à 15 microns (diagramme 6a), l'appareil 40" extrait toutes les particules comprises entre 15 microns et 10 microns (diagramme 73 15048 8 2182112 6b), et l'appareil 40"' extrait toutes les particules comprises entre 10 et 5 microns (diagramme 6c), les particules extraites étant évacuées par les sorties correspondantes 15*, 15" et 15"* . Toutes les particules inférieures.à 5 microns quittent la cascade des appareils de cyclonage par la dernière sortie 16"' , et peuvent alors être rejetées, ou encore captées. 73 15048 9 2182112 aEVEHJICATIONS 1. Appareil du genre cyclone, pour la séparation de particules à grain fin, cet appareil comportant une chambre cylindrique de cyclonage, une entrée axiale pour l'admission des particules, laquelle entrée est aménagée dans l'une 5 des faces frontales de ladite chambre de cyclonage, et un tube coaxial de sortie qui est aménagé dans l'autre face extrême, ainsi que des buses d'air secondaire, agencées sur la paroi de la.chambre de cyclonage, qui sont tangentielles et dirigées o-bliquement vers et à l'encontre dé l'entrée d'admission des par- 10 ticules, et au moins une sortie de particules, laquelle sortie entoure concentriquement l'entrée d'admission des particules, cet appareil étant caractérisé par le fait que l'entrée servant à l'admission des particules est constituée par un intervalle annulaire étroit, et par le fait que les buses d'air secondaire 15 sont agencées sur une couronne circulaire unique. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un élément d'écoulement ou corps central à symétrie de révolution est disposé axialement dans l'orifice d'admission des particules, et par le fait que la surface 20 de la section droite de cet élément est égale à au moins la moitié de la surface de la section droite du tube d'admission des particules. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que des aubes directrices sont agencées 25 dans l'intervalle annulaire. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la distance comprise entre la couronne de buses et l'orifice d'admission des particules est réglable. 30 5« Appareil selon la revendication 4, ca ractérisé par le fait que le tube d'admission des particules est monté de façon que sa position soit ajustable axialement. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5» comportant, entre le tube de sortie et la 35 paroi de la chambre de cyclonage, une couronne d'aubes directrices pour l'air secondaire, caractérisé.par le fait que la couronne d'aubes directrices est fixée sur le tube de sortie, et par le fait que le tube de sortie est, avec ladite couronne d'aubes directrices, monté de façon que sa position soit ajus— 73 15048 2182112 table axialement. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6t caractérisé par le montage en cascade de plusieurs unités séparatrices , et par l'accroissement: d'un étage séparateur à l'autre, de la distance comprise entre l'admission des particules et la couronne de buses d'air secondaire. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le tube d'admission des particules est fermé à l'extrémité inférieure de l'élément d'écoulement et présente au moins une conduite tan-gentielle d'arrivée de gaz chargé de particules qui débouche dans l'intervalle annulaire compris entre ledit élément central et le tube d'admission. 9- Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'élément d'écoulement est interchangeable. 10. Appareil selon la revendication 9 caractérisé par le fait que les différents éléments d'écoulement interchangeables présentent des diamètres différents.