Brevet FR2207749A1 — publié le 19740621

L'invention a pour objet; un dispositif de formation de turbulence dans un fluide contenu à l'intérieur d'une èriceinte telle qu'un autoclave. L'invention s'applique en particulier aux autoclaves de polymérisation. Dans ces autoclaves, la polymérisation se fait en suspension dans l'eau et il existe une relation étroite entre la qualité de la dispersion de la phase organique constituée par ie monomère au sein ae la phase aqueuse et la granulométrie du polymère obtenu.En outre, il est important de maintenir @s- persion à une certaine température par refroidissement de la paroi de l'autoclave. lie transfert de la chaleur de polymérisation se fait par l'intérmédiaire de l'eau entourant les gouttelettes de monomère et nécessite donc une répartition homogène de la chaleur au sein de la phase aqueuse. Jusqu'à présent, les autoclaves utilisés comprennent une enceinte cylindrique à axe sensiblement vertical munie à sa partie inférieure d'au moins un organe d'agitation de fluide0 On utilise généralement dss hélices, des turbines ou des agitateurs à plusieurs bras qui impriment au fluide un mouvement hélicoïdal ascendant permettant de transmettre l'agitation jusqu'à la surface0 On a déjà utilisé dans ces autoclaves des contre-agita- teurs se composant d'une série de doigts placés les uns au-dessus des autres à une certaine distance de la paroi et au dessus de l'agitateur, ces doigts étant dIrigés vers l'intérieur de ltenceinte. De tels dispositifs forment de gros tourbillons irrégulièrement répartis et la turbulence produite se trouve limitée au voisinage de la paroi. Ils servent surtout à augmenter les échanges thermiques avec la paroi et à empêcher des dénivellations trop importantes de la surface libre en s1 opposant à la pénétration de l'air jusqu'à l'axe de l'hélice. Cependant, lorsque l'agitateur tourne à une certaine vitesse, on constate aus les contre-agitateurs ne peuvent pas éviter la formation d'un vortex à l'intérieur de la masse liquide. Les solutions adoptées jusqu'à présent étaient relativement satisfaisantes, les autoclaves étant de taille assez limitée. Cependant si on veut augmenter le volume des autoclaves pour atteindre par exemple des capacités de l'ordre de 40 m3, on doit jouer surtout sur la hauteur de l'autoclave car on est contraint, pour diverses raisons, de limiter les diamètres des appareils. On arrive ainsi à concevoir des autoclaves pour lesquels la hauteur de fluide peut autre de plusieurs mètres. Or l'expérience montre qu'un vortex finit toujours par se former à la longue sur une certaine hauteur même lorsqu'on utilise des agitateurs perfectionnés du genre turbines centrifuges. En outre, de tels agitateurs sont assez coûteux et leur forme compliquée se prête mal à l'utilisation dans des réacteurs de polymérisation.Au contraire, les recherches de la Société déposante ont conduit a mettre au point un dispositif simple et peu coûteux permettant cependant de réaliser un mélange homogène même sur de grandes hauteurs. Le dispositif de formation de turbulence selon l'invention comprend au moins une barre allongée présentant une face plane sensiblement parallèle à l'axe de l'enceinte et s'étendant en travers de l'enceinte, au dessus de l'organe d'agitation. Selon un mode de réalisation plus particulier, le dispositif selon l'invention comprend deux barres planes placées dans deux plans diamétreux perpendiculaires de l'enceinte et formant entre eux une croix au-dessus de l'organe d'agitation. On a vu que, jusqu'à présent, les perfectionnements avaient portés surtout sur la forme de l'agitateur. Or les études expérientales et théoriques du demandeur ont montré que, pour améliorer la turbulence du liquide contenu dars l'autoclave, le rôle de l'agitateur étai@ en fait presque secondaire. Il semble qu'en cherchant à perfectionner l'agitateur on ait négligé l'influence du vortex qui finit toujours par se former ians les installations connues et dont le mouvement irrotetionnel est en fait peu propice à l'agitation nécessaire pour la réaction, en particulier dans un autoclave de grande hauteur. Au contraire, dans l'installation selon l'invention, on peut utiliser un agitateur classique et même rudimentaire et on obtient cependant une turbulence fine et homogène sur toute la hauteur de l'autoclave. L'invention va maintenant être décrite, en se référant à un mode de réalisation préférentiel représenté sur le dessin annexé. Le figure unique représente, en perspective, un autoclave muni du dispositif selon l'invention. L'autoclave se compose d'une enceinte cylindrique 1 à axe vertical, ausi normalement d'un système d'change thermique par la paroi. Sur la figure, la paroi a été supposée transparente et le système d'change thermique n'a pas été représenté. Dans le fond et dans l'axe de l'autoclave se rouve placé un agitateur rotatif qui peus se composer simplement l'un certain nombre de pales coudées 20 montées sur un aie 2, l'en- semble étant entratné par un moteuPO l'autoclave est rempli jusqu'à un certain niveau 30 d'un fluide 3 qui contient en suspension, dans le cas d'un réacteur de polymérisation, un monomère liquide. 'autoclave comporte en outre deux plats 41, 42 disposés en croix dans des plans diamétraux perpendiculaires de l'au toclave. Pour faciliter l'entretien, ces plats sont montés de façon amovible. C'est ainsi que, comme indiqué sur la figure, chaque plat peut s'engager à ses extrémités dans des fentes ver ticiles ouvertes vers le haut ménagées sur des supports 5 fixés contre la paroi de l'autoclave. lies deux barres plates 41, 42 sont avantageusement placées l'une au-dessus de l'autre. Pour donner plus de stabilité à l'ensemble la barre supérieure peut être munie dans son aie d'une fente tournée vers le bas qui stengage dans une fente tournée vers le haut de la barre intérieure 41 de telle sorte que les deux plats soient imbriqués l'un dans l'autre. De préférence, les barres planes 41, 42 seront placées à une distance l de l'agitateur comprise entre une demi fois et une fois le diamètre d de l'enceinte, cette distance étant également fonction de la hauteur de remplissage du liquide Il en est de même de la hauteur h des barres et de leur nombre.Généralement, on utilisera deux barres en croix de hauteur comprise entre 1 et i du diamètre de l'enceinte0 Cependant, le dispositif pourra, dans certain cas favorables, être simplifié en h'utilisant qutune seule barre plane ;à l'inverse, si par exemple on augmente la hauteur de fluide, on pourra utiliser plusieurs crois superposées En pratique, des essais sur modèle réduit permettront de choisir les caractéristiques préférentielles du dispositif selon les dimensions du récipient et les conditions d'utilisation. On déterminera alors la dimension, le nombre, l'emplacement et l'orientation des barres en ne faisant appel, le cas echdant, qu'à des calculs simples. On tiendra compte évidemment de l'éner- gie de l'agitateur. en jouant sur la vitesse de rotation et la forme et le nombre des pales. Â titre d'exemple, dans un autoclave de polymérisation de 40 m3 et une hauteur de remplissage de 6 m, on pourra utiliser deux barres en croix ayant une hauteur de tordre de 200 mm. Lorsqu'on fait tourner 11 agitateur 2 à grande vitesse, on constate que le courant hélicoïdal ascendant provoqué par la rotation de l'agitateur est dispersé par les barres 41, 42 et qu'il se produit dans toute la masse du fluide 3 la turbulence fine et homogène recherchée. lie vortex qui se formait dans les dispositifs classiques est complétement supprimé, malgré la hauteur importante de fluide et cependant le mouvement général ascendant donné au fluide par l'agitateur n'est pas arrêté. De façon surprenante, l'association à un agitateur rudimentaire de cette croix de hauteur réduite qui ne demande qu'une augmentation de l'énergie de l'agitateur, permet d'obtenir, malgré l'extrême simplicité du dispositif, une grande turbulence qui se maintient jusqu' à la surface du fluide1. On constate d'ailleurs la formation passagère de légères dépressions à la surface du fluide, ces dépressions se déplacant dans le sens de rotation de l'hélice. Il semble que l'association de la croix avec l'agitateur tende à la formation de plusieurs petits vortex migrants qui se détruisent aussitôt les uns les autres et permettent cependant de conserver dans la masse du fluide un mouvement ascendant et ia turbulence de se développer sur toute la hauteur de l'autoclave. Un autre avantage de l'invention réside dans la grande facilite d'entretien, les barres planes pouvant être très simplement démontées pour nettoyage ou remplacement0 Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d're décrit, mais en englobe au contraire toute les variantes qui n'en différeraient que par l'emploi de moyens analogue8} C'est ainsi que les barres planes formant la croix ont été placées, dans 11 exemple représenté, perpendiculairement à l'axe de l'enceinte, mais on pourrait évidemment, si on le jugeait utile, les incliner par rapport à cet axe. En outre, la hauteur donnée aux barres et leur distance par rapport à l'agitateur peuvent différer des proportions indiquées, les barres ne devant cependant pas avoir une hauteur trop grande0 De même on pourrait n'utiliser qu'unie seule barre, en particulier dans le cas où lton disposerait de plusieurs agitateurs Bien entendu, on pourrait également utiliser un plus grand nombre de barres, ou disposer plusieurs croix l'une au dessus de l'autres Enfin, l'invention a été décrite dans le cadre d'un autoclave de polymérisation, mais il est bien évident qu'elle pourrait être utilisée chaque fois que l'on cherche à réaliser un mélange homogène dans une enceinte. REVENDICATIONS 10 - Dispositif de formation de turbulence dans un fluide contenu à l'intérieur d'une enceinte cylindrique à axe sensiblement vertical, munie à sa partie inférieure d'au moins un organe d'agitation du fluide, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une barre allongée présentant une face plane sensiblement parallèle à l'axe de l'enceinte, et s'étendant en travers de enceinte, au dessus de l'organe d'agitation. 20 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend deux barres planes placées dans deux plans diamétraux perpendiculaires de l'enceinte et formant une croix au-dessus de l'organe d'agitation. 3. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'organe d'agitation comprend plusieurs pales coudées fixées sur un arbre entraîné en rotation et traversant le fond de 1' enceinte, dans l'axe de celle-ciO 40 - Dispositif selon la revendication i, caractérisé par le fait que la barre plane est placé à une distance dé l'agitateur comprise entre une demi fois et une fois le diamètre de l'enceinte. 5. - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la barre plane à une hauteur de l'ordre de 1/10 à 1/20 du diamètre de l'eUceintefO 6. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les barres en croix sont placées l'une au-dessus de l'autretO 70 - Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que chaque barre est amovible et que ses extrémités sten- gagent dans des fentes verticales ouvertes vers le haut, ménagées sur des supports fixés sur la paroi de l'enceinte.