Brevet FR2191931A1 — publié le 19740208

L'invention concerne un dispo- sitif pour le mélange de~deux fluides, du type comprenant un récipient qui contient le premier fluide, un moyen de production de tourbillons et au moins une conduite d'amenée dont ltextrémité plonge dans le premier fluide, pour l'amenée d'un second fluide0 On contact un très grand nombre d'appareils de ce genre9 par exemple le brevet DOS 105570213. De même, les possibilités d'application sont variées au-delà du simple mélange0 Dans la mesure où il s'agit de la préparation d'un mélange, il faut que ce dernier soit aussi homogène que possibles En général, ce résultat peut être obtenu.avec la plupart des appareils connus ainsi qu'avec la plupart des fluides à mélanger.En outre, le degré d'homogénéisation souhaité n'est qutune question de dépense, c'est-à-dire du travail rapporté à la masse des substances entrant en jeu. Mais il-existe aussi de nombreux milieux pour lesquels il est nécessaire de veiller à ce que les quanta par unité de temps des deux milieux amenés en contact l'un avec l'autre soient à chaque instant de l'opération de mélange d'égale grandeur. Si cette condition ntest pas satisfaite, il ne se produit de mélange intense que dans les couches limites de contact direct, tandis que, à l'extérieur de ces zones de couches limites, demeurent des nids de l'une ou de l'autre substance qui meme malgré un autre traitement poussé, ne se mélangent pas0 Les appareils connus jusqu'à présent ne remplissent pas la condition indiquée ou ils ne la remplissent que dans une mesure insuffisante. Avec le mélangeur suivant le brevet DOS 1,457,272, un pas a bien été fait dans cette direction0 Dans cet appareil, la conduite d'amenée présente de nombreux perçages à travers lesquels le milieu à mélanger peut sortir de la conduite et s'introduire dans le milieu qui se trouve dans le récipient. Toutefois, les diamètres des perçages ne peuvent absolument pas être faits suffisamment petits pour que soit obtenue une répartition suffisamment fine. L'invention a pour but de donner à un dispositif du genre cité au début une forme telle que le milieu à mélanger soit très finement divisé quand il est ajouté, et qu'en outre soit obtenue une capacité de mélange suffisamment grande, Ce problème est résolu par le dispositif conforme à l'invention, caractérisé en ce que le moyen de production des tourbillons est constitué d'une manière telle qu'il se produit un écoulement circulaire.s-d'une manière prédominante, autour de l'axe de tourbillonnement, dans un plan parallèle à cet axe, l'amenée dans la zone de l'embouchure étant au moins à peu près parallèle à l'axe de tourbillonnement, et la corde de la surface d'embouchure de la conduite d'amenée. est inclinée vers un plan perpendiculaire à l'axe de tourbil- lonnement suivant un angle de 45 à 900, I1 a tout d'abord été reconnu que pour résoudre le problème posé, il est nécessaire-que les deux milieux, immédiatement avant l'opération de mélange, soient amenés à avoir des écoulements qui se coupent, ce qui est garanti par les deux premières caractéristiques mentionnées. L'autre connaissance décisive est à la base de la troisième caractéristiqueo Gracie à la forme, décrite dans cette caractéristique, de la conduite d'amenée, on obtient en effet les avantages suivants : Entant donné que l'embouchure de la conduite d'amenée s'étend aussi suivant la direction longitudinale de cette dernière, le milieu à ajouter vient pareillement en contact avec l'autre milieu sur ltétendue de ce trajet.Le milieu à ajouter se trouve ainsi dans une certaine mesure "biseauté" de cette manière par le premier milieu lors du mouvement tourbillonnaire de ce premier milieu0 Du fait que ce biseautage ne saisit chaque fois que des couches minces, il est garanti d'une part une grande régularité qui est la condition d'une grande homogénéité du mélange D'autre part, l'opération s'effectue d'une manière forcée, ctest-à- dire sans que l'un des deux milieux puisse échapper à l'autre milieu0 Il s'ensuit que, le cas échéant, des quantités importantes à mélanger peuvent être amenées par unité de temps sans que cela porte préjudice à l'homogénéité0 Le récipient peut présenter pratiquement une forme quelconque0 Il faut seulement qu'il soit exempt d'anglets morts, Des formes appropriées sont la forme cylindrique, la forme en boule ou la forme ovoïde. On peut imaginer aussi de supporter le récipient lui-meme de manière qu'il puisse tourner et de le commander pour la production du tourbillon indiqué. On peut disposer, en supplément de cette mesure, un rotor placé dans le récipient coaxialement à l'axe de ce dernier, ce rotor porduisant de son côté le mouvement circulaire décrit ci-dessus. Le tourbillon produit par la rotation du récipient présente à son pourtour extérieur, c'esr-à-dire au voisinage de la paroi du récipient, une vitesse circonférentielle importante, mais dans la zone de l'axe du récipient, une vitesse circonférentielle faible. Par contre, dans le cas du tourbillon produit par le rotor, ces conditions sont inversées : la vitesse circonférentielle de l'écoulement (vu dans une section droite perpendiculaire à l'axe) va en augmentant de l'extérieur vers l'intérieur.Par conséquent, il est possible, à l'aide des deux mesures indiquées, c'est-à-dire mode de support du récipient assurant la rotation de ce dernier et utilisation d'un autre moyen de production de tourbillons, de régler une distribution déterminée de la vitesse de rotation, ce qui peut être souhaité pour l'opération de mélange. Naturellement, le récipient peut aussi être commandé d'une manière telle qu'il produise un tourbillon ayant un sens opposé à celui du tourbillon de l'autre moyen de production de tourbillons. Comme moyen de production de tourbillons, on peut utiliser aussi un certain nombre de tubulures d'entrée disposées tangentiellement à la surface latérale du récipient. Ce qui est décisif est la formation d'un tourbillon dans lequel l'écoulement principal s'effectue concentriquement autour de l'axe de tourbillonnement. Un écoulement toroïdal tel qu'il se produit à peu pres dans un appareil suivant le brevet DOS l 900 630 est par conséquent à éviter. Il faudrait tout au moins que le mouvement gyrcscooique suivant l'invention l'er;.portât. Le moyen de production des tourbillons se présente judicieusement, tout au moins pour l'esentiel, sous la forme d'un rotor cylindrique ayant une .longueur qui est en général plus grande que son diamètre. Tjn tel rotor ait comme troyen de déplacement dans le milieu qui l'entoure cuand ce rctcr présente en section droite une forme faiblement ellistique. Jais la formation du tourbillon peut être produite déjà par l'entrainement d'une couche limite en raison du frottement contre une surface latérale ayant la rugosité appropriée0 Pour que l'on puisse faire varier davantage dans le récipient la répartition de vitesses déjà mentionnée, il est possible de procéder à.un réglage du rotor, exécuté excentriquement au récipient, réglage dans lequel, par exemple, on augmente particulièrement la vitesse de rotation à l'endroit étroit, entre le rotor et la paroi du récipient, sans que soit nécessaire à cet effet une vitesse angulaire plus grande du rotor0 Naturellement, il peut être prévu aussi deux ou plusieurs conduites d'amenée, de sorte que des quantités assez grandes ou même plusieurs milieux peuvent être mélangés0 La conduite d'amenée individuelle peut être raccordée à un réservoir mis éventuellement sous pression, Il convient, pour un dosage précis, de placer un dispositif de dosage dans la conduite d'amenée0 La surface d'embouchure de la conduite d'amenée se trouvera en général dans un plan, ce qui est déjà le plus simple pour des raisons de fabrication0 Mais elle peut aussi être incurvée0 Suivant une autre caractéristique de l'invention, la conduite d'amenée est placée d'une manière telle que son embouchure (vue en une section droite perpendiculaire à l'axe) soit tournée vers l'axe de tournoiement de l'écoulement On a reconnu en effet qu'il se forme alors dans la conduite d'amenée (dans une section droite à travers cette conduite) pareillement un tourbillon dont le sens de rotation est opposé à celui du tourbillon se trouvant dans le récipient Si lton procède autrement, c'est-à-dire d'une manière telle que l'ouverture oblongue (embouchure) soit dirigée non vers le rotor, mais à l'opposé de ce dernier, on obtient dans le tourbillon qui se produit dans la conduite d'amenée le même sens de rotation que pour le tourbillon principal dans le récipient Cette différence entre les deux sens de rotation (mêmes sens ou sens opposés) peut être essentielle pour l'opération de mélange dans le cas de milieux ayant des viscosités déterminées0 En tout cas, 11 se produira un "biseautage" de couches du second milieu, qui pénètreront ainsi intimement dans le milieu principal suivant des circonférences et se mélangeront avec ce milieu principale Etant donné que l'amenée se produit principalement perpendiculrie rement au mouvement circulaire, il se prduira un mouvement de mélange en forme de spirale ou plus exactement de forme hélicàdale0 Pour que soient évités des remous, si les conduites d'amenée ont un assez grand diamètre, on peut donner au profil extérieur de ces conduites une forme de surface porteuse ou une forme de goutte, L'invention peut être appliquée dans de nombreux domaines et elle n'est limitée en aucune manière aux opérations de mélange proprement dites On citera seulement à titre d'exemples l'aération d'eaux résiduaires, l'exécution de réactions chimiques, ainsi que la préparation de produits médicamenteux, Comme milieu, il peut s'agir aussi de gaz ou de substances pulvérulentes0 L'invention n'est limitée en aucune manière au traitement de deux milieux seulement; le dispositif peut être équipé avec plusieurs conduites d'amenée présentant les caractéristiques suivant L'invention. La description ci-après et les dessins annexés se rapportent à un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels : - La figure 1 représente en élévation un dispositif de mélange avec récipient rotor et conduite d'amenée; - La figure 2 représente une vue en plan du même récipient; - La figure 3 représente en élévation un récipient avec arrivées tangentielles; - La figure 4 représente une vue en plan du récipient suivant la figure 3; - La figure 5 représente la partie inférieure d'une conduite d'amenée fortement grossie; - Les figures 5a à 5d représentent des vues en coupe de la conduite d'amenée suivant la figure 5;; - La figure 6 représente une autre forme de réalisation d'une conduite d'amenée, - Les figures 7 et d représentent des coupes transversales faites à travers le récipient et les conduites d'amenée D'après les figures 1 et 2, le récipient 1 est rempli avec un liquide au-dessous du niveau 2 duquel sont plongés un ballon 3 ainsi que l'extrémité d'une conduite d'amenée0 Le ballon 3 a une forme cylindrique .et une section droite elliptique (figure 2)o Il est.commandd par en haut par l'intermédiaire d'un arbre 5, d'une paire 6 de roues dentées et d'un moteur 70 La conduite d'amenée 4 est reliée, par l'intermédiaire d'un tuyau flexible, à un réservoir, non représenté, Elle peut être déplacée parallèlement à l'axe du récipient0 Pour ce qui concerne le liquide se trouvant dans le récipient 1, il s'agit d'une émulsion sensible, D'après la figure 2, le liquide se trouve animé d'un mouvement d'écoulement circulaire se produisant à peu près concentri- quement à l'axe du rotor0 Mais le rotor peut tout aussi bien être introduit par en bas dans le récipient et entre alors supporté dans le fond du récipient et cela, comme il a été indiqué plus haut, concentriquement ou excentriquement à l'axe du récipient0 Un écoulement tout à fait analogue est produit dans le récipient 1 suivant les figures 3 et 40 Toutefois, on utilise comme moyen producteur des tourbillons, au lieu du rotor des figures 1 et 2, plusieurs conduites d'amenée 9 9 qui sont raccordées tangentiellement au récipient Ces conduites sont raccordées à une conduite de sortie 10 et à une pompe de recirculation îlo L'embouchure 12 de la conduite d'amenée représentée sur la figure 5 est disposée suivant un angle de 300 environ par rapport à l'axe de cette dernière, Les coupes représentées sur les figures 5a à 5d sont destinées à mettre en évidence le phénomène du "biseautage" du liquide qui arrive, phénomène qui est produit par le fluide animé d'un mouvement circulaire dans le récipient lo Sur chacune des figures 5b à 5d, on a indiqué une zone 14 en forme de calotte, Cette zone représente la zone limite dans laquelle ltécoulement tourbillonnaire du premier fluide pénètre dans l'écoulement du second fluide qui arrive perpendiculairement au premier écoulement et se mélange ainsi intimement au premier écoulement et le biseaute0 Le cas idéal qui est représenté ici, et dans lequel les calottes ont des surfaces égales, ntest pas toujours obtenu dans le cas d'une embouchure plane, Certaines viscosités des fluides en cause peuvent nécessiter une forme incurvée de l'ouverture9 telle que celle qui est représentée sur la figure 6o Toutefois ici encore, la corde 17 correspondant à cette surface 12 d'embouchure est disposée dans la zone indiquée suivant un angle de 45 à 900 par rapport au plan parallèle à l'axe d'amenée 13, et si l'axe d'amenée et l'axe de tourbillonnement sont parallèles, suivant un angle de 45 à 90" par rapport à l'axe de tourbillonnement0 Mais on peut imaginer aussi que l'embouchure soit bien plane, mais disposée rigoureusement parallèlement à l'axe longitudinal de la conduite d'amenée0 (Il n'y a pas de figure pour illustrer ce cash) Sur les figures 7 et os sont mises en évidence les conditions d'écoulement dans le récipient 1 et la conduite d'amenée 4o La figure 7 montre le cas préféré dans lequel l'embouchure 12 de la conduite d'amenée 4 est ouverte vers l'axe de rotation 15 du tourbillon0 il se produit ainsi dans le récipient 1 et la conduite 4 des courants circulaires dont les sens de rotation sont opposés, Sur la figure 8, l'embouchure 12 de la conduite d'amenée est dirigée vers l'extérieur0 Les tourbillons dans la conduite d'amenée et dans le récipient tournent dans le même sens0 Pour éviter que des remous incontrôlés se séparent à l'embouchure 12 et soient entrarnés dans le récipient avec l'écoulement tourbillonnaire, la conduite d'amenée 4 est munie dtun revêtement se présentant sous la forme d'un profil de surface porteuse0 Dans les exemples de réalisation qui précèdent, est décrit et représenté un récipient ouvert verticale Mais on peut employer tout aussi bien un récipient fermé. Un tel récipient pourrait aussi être disposé d'une manière telle que son axe longitudinal s1 écarts de la verticale et soit, par exemple, horizontal. La meme observation est valable pour la position de l'axe de rotation (axe de tourbillonnement)0 Cet axe nta pas besoin lui non plus, en aucune manière, d'être vertical, L'ensemble de l'opération de mélange peut aussi se dérouler d'une manière complètement continue. C'est ainsi que le récipient peut présenter une entrée (par exemple à son extrémité inférieure) et une sortie (par exemple à son extrémité supérieure) et la conduite d'amenée peut pareillement être alimentée d'une manière continuez Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention0 REVENDICA?IONS 10) Dispositif pour le mélange de deux ou de plusieurs milieux fluides du type comportant un récipient qui contient le premier milieu, un moyen de production de tourbillons et au moins une conduite d'amenée dont l'extrémité plonge dans le premier milieu, pour l'amenée d'un second milieu, dispositif caractérisé en ce que le moyen pour la production de tourbillons est constitué d'une manière telle qu'il en résulte un écoulement animé d'un mouvement circulaire autour de l'axe de tourbillonnement (15), la conduite d'amenée (4) individuelle, dans la zone de l'embouchure (12), étant sensiblement parallèle à cet axe (15), et la corde (14) de la surface d'embouchure de la conduite d'amenée (4) étant inclinée par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe (15) de troubillonnement d'un angle de 45 à 900. 20) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de production des tourbillons se présente essentiellement sous la forme d'un rotor cylindrique (3). 30) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le rotor (3), dans une coupe perpendiculaire à l'axe, a une forme circulaire ou légèrement elliptique (figure 2). 40) Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la surface latérale du rotor (3) pour la production du tourbillon est rugueuse et présente des nervures qui sont disposées en particulier suivant la direction de l'axe du rotor. 50) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le rotor (3) est disposé excentriquement par rapport à l'axe du récipient (1) parallèle à l'axe de tourbillonnement. 6 ) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface (12) de l'embouchure de la conduite d'amenée (4) se trouve dans un plan. 70) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'embouchure (12) de la conduite d'amenée (vue dans une coupe perpendiculaire à l'axe) est ouverte vers l'axe de tourbillonnement (figure 7). 80) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la conduite amenée (4), tout au moins sur la partie de sa longueur sur laquelle S'étend son embouchure (12) (vue dans une coupe perpendiculaire à l'axe) présente comme profil extérieur un profil de surface porteuse (voir figure 8)o 90) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le récipient (1) est supporté de manière à pouvoir tourner et est muni d'un dispositif de commande,