Brevet FR2212173A1 — publié le 19740726

L'invention a, pour objet un appareil rotatif d'agitation d'un fluide contenu dans une enceinte telle qutun autoclave Les autoclaves utilisés dans les industries chimiques se composent essentiellement d'une cuve, généralement cylindrique,comportant dans son axe un agitateur animé d'une vitesse de rotation. L'agitateur peut présenter simplement deux bras, de part et d'autre de l'axe, ce bras ayant éventuellement deux parties montantes à leurs extrémités lorsqu'ils sont du type dit "à ancrent On peut aussi compléter ces derniers dispositifs par des traverses ; c'est le cas des agitateurs à grille. On peut aussi utiliser des turbines dans lesquelles les bras ont en coupe une forme plus ou moins hydre dynamique, ou, également, des hélices. Dans les réacteurs de polymérisation, il est particulièrement nécessaire d'obtenir une turbulence fine et homogène car 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 le monomère au sein de la phase aqueuse, et la granulométrie du polymère obtenu. En outre, la polymérisation steffectue à une certaine tem- pérature qui est maintenue par refroidissement de la paroi de l'autoclave. Cependant, le transfert de la chaleur de polymérisation i l'eau qui entoure chaque gouttelette de monomère puis à la paroi né- cessite une répartition homogène de la chaleur au sein de la phase aqueuse et dépend ainsi de l'état de turbulence au sein du réacteur. Or, tous les dispositifs connus provoquent une rotation de l'ensemble de la masse liquide à l'intérieur de l'autoclave, et de ce fait lt6- coulement prend les caractéristiques générales du vortex, le mouvement étant irrotationnel. On a constaté qu'un tel mouvement était peu propice à l'agitation nécessaire pour le mélange des liquides, l'émulsion, les réactions chimiques, la formation de gouttelettes de diamètre minime, etcO On a déjà proposé d'utiliser un certain nombre de contreagitateurs se composant de doigts placés le long de la paroi et formant des tourbillons à proximité de la paroi. On améliore ainsi l'é- change thermique avec la paroi, et surtout on limite la remontée du liquide le long de la paroi en empêchant l'air d'atteindre l'agita~ teur.Cependant, il subsiste encore un vortex dans le centre de l'enceinte. En outre, une telle technique augmente le poids et la complexité de l'autoclave, et de ce fait son prixo I L'invention a pour objet un nouvel agitateur permettant d'éviter les contre-agitateurs en créant au niveau de l'agitateur même la turbulence fine et homogène recherchée0 L'agitateur se compose d'au moins deux bras tournant autour d'un axe, et, selon l'invention, on dispose le long de chacun des bras au moins deux organes d'émission vers l'intérieur de l'en- ceinte de jets de fluide distincts les uns des autres et susceptibles de s'interpénétrerw chaque jet étant émis par déviation sur l'un des organes démission de la partie du fluide interceptée par ledit organe en tournant autour de l'ase. Selon un premier mode de réalisation, les organes d'émission de jets de fluide sont une série de palettes sensiblement pla nes, inclinées par rapport à l'axe de rotation et réparties le long de chaque bras, à différentes distances de l'axe. Selon un autre mode de réalisation, chaque organe d'émis sion se compose dtune chambre de déviation comportant un orifice d'entrée du fluide ouvert du côté du sens de rotation et sensiblement perpendiculaire à la vitesse circonférentielle au centre dudit orifice, et un orifice de sortie du fluide, sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation et ayant une surface plus petite que llo- rifice d'entrée. L'invention va maintenant autre décrite, en se référant à plusieurs modes de réalisation particuliers, donnés à titre d'exemple, et représentés sur les dessins annexés. La figure 1 est une coupe verticale d'un autoclave muni dlun agitateur selon l'invention. La figure 2 est une demi - vue de face d'un premier mode de réalisation de l'agitateur. La figure 3 est une vue en perspective du premier mode de réalisation. La figure 4 est une vue en coupe transversale d'une variante de réalisation. La figure 5 est une vue en prespective d'un deuxième mode de réalisation. la figure 6 est une vue en coupe suivant VI figure 5, représentant schématiquement les jets de fluide émis par l'agitateur. Le principe de l'invention réside dans l'observation qu'un jet de liquide pénétrant à l'intérieur d'une masse liquide immobile représente un excellent générateur de turbulence. En effet, sur la surface de contact entre jet et masse immobile apparaissent des efforts tranchants unixormément répartis qui fournissent, de ce. fait, toutes les conditions nécessaires pour la formation d'une tur silence fine et ooe, La zone de formation de cette turbulence prend en coupe la forme d'un cône dont le sommet est placé dans l'axe de la section de sortie du jet, et dont l'angle au sommet est d'environ 200o Si on réalise une série de jets telle que les cônes s'in terpéndtrent, on pourra créer une turbulence fine et homogène dans toute la masse du liquide, On va décrire à titre d'exemple deux modes de réalisation d'un agitateur réalisant la série de jets recherchée. Un premier mode de réalisation est représenté sur les figures 1 à 3. Il se compose, en se référant à la figure 3, d'un moyeu 1 sur lequel sont fixés au moins deux bras 2. Chaque bras comporte une série de conduits courbes convergents 3o La section d'entrée de chaque conduit est sensiblement normale à la vitesse circânféren- tielle tandis que la section de sortie 32 est sensiblement parallèle à cette vitesse. Comme indiqué sur la figure 4, la section de sortie peut autre légèrement inclinée du côté de la vitesse circonferentielle afin que la vitesse absolue soit normale à la vitesse d'entrée Ve dans le conduit courbe. les sections de sortie 32 des conduits sont égales et plus petites que les sections d'entrée 31.Par ailleurs, les sections d'entrée 31 des conduits vont en décroissant à mesure que l'on s'éloigne de l'axe du moyeu 1. La surface d'entrée de chaque conduit est en effet calculée en fonction de la vitesse circonférentielle au centre de la section d'entrée, de telle sorte qu'il entre le meme débit de fluide dans chaque conduit. Il en résulte que les jets de sortie ont mdme débit et méme vitesse. Par ailleurs, les sections de sortie 32 sont séparées les unes des autres par des espaces 33. Il en résulte comme indiqué sur la figure 2, que les jets de sortie qui ont la forme de troncs de pyramide d'angle-au sommet égal à 200 environ, s'interpénétrent après avoir parcouru une certaine distance. Du fait des efforts tranchants existant le long du jet, cette interpénétr-ion provoque une turbulence fine et parfaitement répartie. Par ailleurs, les caractéristiques dimensionnelles des conduits et la vitesse de rotation de l'agitateur sont réglées de telle sorte que la puissance des jets soit suffisante pour provoquer une turbulence jusqu'8 la surface du fluide, comme indiqué sur la figure i. On notera que l'utilisation de jets verticaux permet d'obtenir plus facilement la répartition de la turbulence dans tout le volume du fluide Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 peut autre amélioré de diverses façons. C'est ainsi que l'on peut placer en avant de chaque orifice de sortie 32 une cornière 34 dont un exemple-est représenté sur la figure , e 3, et qui peut protéger la sortie du jet. Dans le me- me but, comme représenté sur la figure 4, les sections de sortie peuvent être tournées vers le sens de rotation, de telle sorte que la vitesse absolue soit verticale, compte tenu de la vitesse circonférentielle. En outre, -les extrémités des bras peuvent etre munies de pales 35 (Fig. 1) créant une turbulence dirigée vers la paroi pour améliorer les échanges thermiques avec le système de refroidissement de la paroi. On peut également donner au bras, ou à certaines de ses parties, des formes hydrodynamiques, comme indiqué en coupe sur la figure 4. Cette-amélioration des formes permettrait de diminuer la puissance nécessaire pour faire tourner l'agitateur, et de diminuer ou de supprimer les sillages susceptibles de favoriser la précipitation des grains en suspension, et par conséquent la formation de dépôts solides sur les pales. Les figures 5 et 6 représentent un deuxième mode de réalisation de l'inventionO Dans ce cas, l'agitateur comprend également au moins deux bras 2 montés sur un moyeu 1, mais chaque bras se compose dlune série de palettes élémentaires planes ou courbes dont les angles par rapport la verticale sont différents. Lorsque l'agitateur tourne, chaque palette émet un jet par déviation du fluide intercepté, la direction de ce jet étant perpendiculaire à la palette. De la sorte, chaque jet est émis dans une direction différente de celles des jets qui lui sont adjacents, comme cela apparat sur la figure 6. On comprend que, dans le plan séparant deux palettes 20, apparaîtra aussitôt la surface de frottement et le courant générateur de la turbu-lence- désirée. ;'inclinaison des palettes 20 par rapport à la verticale augmente à mesure que l'on s'éloigne de l'axe de rotation, de telle sorte que les jets émis par les palettes aient des vitesses égales en projection verticale. En outre, les surfaces des palettes diminuent en fonction de leur distance à l'axe, de telle sorte que les jets émis aient sensiblement même débit. On remarquera que ce mode de réalisation présente l'avantage d'une très grande simplicité et supprime le risque de dépôt de matières durcies dans les conduits. Par ailleurs, il est évidemment possible, comme on l'a indiqué pour le premier mode de réalisation, de profiler la partie arrière des palettes de façon hydrodynamique pour éviter les dépôts0 Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails des deux modes de réalisation, qui n'ont été décrits qu'à titre d'exemple. On pourrait au contraire imaginer bien d'autres variantes ou des moyens équivalents permettant d'obtenir à l'intérieur de la masse liquide les plans de frottement générateurs des turbulences, C'est ainsi, en particulier, que les palettes décrites dans le deuxième exemple, pourraient etre séparées les unes des autres par des intervalles. Dans ce cas, les plans pourraient avoir môme inclinaison par rapport à la verticale, car les jets émis pourraient s'interpénétrer à une certaine distance de l'agitateure REVEIXDICAGIONS 10 - Appareil rotatif d'agitation d'un fluide contenu dans une enceinte, se composant d'au moins deux bras montés sur un axe de rotation à l'intérieur de l'enceinte et d'un moyen de rotation desdits bras autour de leur axe, caractérisé par le fait que le long de chacun des bras sont disposés au moins deux organes d'émission vers l'intérieur de l'enceinte de jets de fluide distincts les uns des autres et susceptibles de s'interpénétrer, chaque jet étant émis par déviation sur l'un des organes d'émission de la partie du fluide interceptée par ledit organe en tournant autour de l'axe. 20 - Appareil d'agitation selon la revendication 1 , caractérisé par.le fait que les organes d'émission de jets sont une série de palettes inclinées par rapport à l'ase de rotation et réparties le long de chaque bras, à différentes distances de l'axe. 30 - Appareil d'agitation selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les palettes sont adjacentes, chacune ayant une inclinaison, par rapport à l'axe, différente de celles des palettes qui lui sont adjacentes. 40 - Appareil d'agitation selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les palettes ont une inclinaison, par rapport à l'axe, croissante à mesure qutelles sont plus éloignées de l'axe. 50 - Appareil d'agitation selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les palettes d'un môme bras ont des sections décroissantes en fonction de leur distance à l'ases de telle sorte que les palettes émettent des jets de fluide de mtme débit au cours de la rotation du bras. 60 - Appareil d'agitation selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les palettes de chaque bras sont séparées les unes des autres par un intervalle libre. 70 - Appareil d'agitation selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque organe d'émission se compose d'une chambre de déviation comprenant un orifice d'entrée du fluide,ouvert du côté du sens de la rotation et sensiblement perpendiculaire à la vitesse circonférentielle au centre dudit orifice, et un orifice de sortie du fluide, sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation, l'orifice de sortie de chaque chambre de déviation ayant une surface plus petite que l'orifice d'entrée. 80 - Appareil d'agitation selon la revendication 6, caractérisé par le fait que chaque bras se compose d'une série de chambres de déviation adjacentes, l'orifice de sortie de chaque chambre étant séparé par un intervalle des orifices de sortie des chambres adjacentes. 90 - Appareil d'agitation selon la revendication 7, caractérisé parle fait que les orifices d'entrée des chambres de déviation d'un meme bras ont des sections décroissantes en fonction de leur distance par rapport à l'axe de rotation0 100 - Appareil d'agitation selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les orifices de sortie des chambres de déviation d'un môme bras ont des sections égales et que les sections des orifices d'entrée sont calculées en fonction de leur distance à l'axe de rotation de telle sorte que des débits identiques de fluide soient absorbés et déviés par lesdites chambres0 110 - Appareil d'agitation selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les bras ont, en section droite, un profil hydrodynamique0