Brevet FR2213084A1 — publié le 19740802

la présente invention concerne un procédé de séparation au moyen de la force centrifuge de produits en suspension dans un fluide gazeux ou liquide, le procédé consistant à faire passer le fluide à traiter dans un courant d'écoulement principal courbe où, en balayant une arête d'écoulement, il donne naissance sur le côté concave de ce courant à un tourbillon stationnaire qui est au contact du courant d'écoulement principal ou bien se transforme en ce courant principal et dans lequel le fluide purifié ou les produits en suspension sont séparés en des emplacements appropriés tandis que le fluide dont le volume est diminué de la portion séparée continue son écoulement avec le courant d'écoulement principal. Un but de l'invention est de perfectionner autant que faire se peut le procédé décrit ci-dessus. Ce résultat est obtenu grâce au fait que la forme géométrique du tourbillon, y compris celle de l'axe du tourbillon, est adaptée aux exigences requises. En d'autres termes, en partant d'une forme cylindrique simple, le tourbillon selon l'invention peut passer par différents stades de formes de courbure de l'axe de tourbillon jusqu a prendre la forme de tourbillon annulaire avec axe de tourbillon cireulaire. De plus, selon l'invention, on peut en aménageant de façon appropriée la forme de la paroi de l'enveloppe donner à la limite radiale du tourbillon une forme quelconque voulue, par exemple une forme en cylindre, en barillet, etc. Selon un développement de l'invention, il est prévu que le fluide à traiter passe dans un courant d'écoulement principal s'élargissant et/ou.se rétrécissant en forme d'entonnoir, et se courbant de façon à former une couche annulaire partielle à lten- trée de laquelle il donne naissance à un tourbillon annulaire- ayant la forme d'un bourrelet annulaire qui, par la zone continue a la couche annulaire rartielle, est au contact du courant d'écoulement principal ou se transforme en ce courant. L'avantage de cette disposition est qu'elle peut être réalisée dans des systèmes de conduites tubulaires ronds d'une façon particulièremént peu encombrante Il peut de plus être avantageux de former plusieurs tourbillons en série et/ou parallèlement les uns aux autres. L'invention prévoit de plus qu'une séparation s'effectue à l'intérieur de la chambre de turbulence dans la zone de concentration maximale de la phase ayant le poids spécifique le plus lourd. l'avantage de cette mesure est qu'elle permet d'obtenir un débit élevé du fluide à traiter par chambre de turbulence et par unité de temps. Une autre caractéristique du procédé selon l'invention est que la portion de volume séparée avec la phase ayant le poids spécifique le plus élevé est ramenée dans le courant d'écoulement principal devant ou derrière la chambre de turbulence. On obtient ainsi un effet d'impulsion s' exerçant sur le courant d'écoulement principal analogue à un effet d'injection. En outre, lors de la séparation de la portion de volume avec la phase à poids spécifique élevé, ce qui s'effectue de préférence par aspiration, on obtient un effet d'impulsion. Dans le cadre de l'invention, il peut de plus être avantageux de faire passer le fluide à traiter dans des chambres de turbulence partielles contigües les unes aux autres. On peut ainsi augmenter dans une chambre de turbulence la portion de volume du fluide à traiter. De plus, l'invention prévoit d'amener de l'air comprimé au fluide à traiter dans la zone du tourbillon, ce qui également exerce un effet d'impulsion sur le fluide. En ce qui concerne la séparation de la phase à poids spécifique élevé par rapport au fluide à traiter, il peut être avantageux que les particules qui se rassemblent à la périphérie du tourbillon soient immédiatement évacuées du tourbillon. - Cette mesure peut être entendue dans le cadre de l'invention comme une séparation directe dans le voisinage immédiat du tourbillon. Selon un développement de l'invention, il est prévu que le courant d'écoulement principal se présentant sous forme d'un courant en circuit fermé sans fin passe le long d'une ou de plusieurs zones de turbulence. Ceci offre l'avantage de réaliser une économie de puissance pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, en améliorant le rendement de ce procédé. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est une représentation de principe d'un tourbillon annulaire - la figure 2 représente un dispositif propre à engendrer un tourbillon annulaire, comportant un conduit d'écoulement principal s'élargissant en forme d'entonnoir ;; - la figure 3 représente un dispositif propre à engendrer un tourbillon annulaire, comportant un conduit d'écoulement principal se rétrécissant en forme d'entonnoir - la figure 4 montre plusieurs tourbillons annulaires disposés en série - la figure 5 montre plusieurs tourbillons droits montés en parallèle - la figure 6 montre une chambre de turbulence avec dispositifs d'aspiration - la figure 7 montre une chambre de turbulence avec réintroduction au moyen d'une soufflerie de la portion de volume aspirée - la figure 8 montre une chambre de turbulence avec injection d'air comprimé - la figure 9 montre une chambre de turbulence avec dispositifs de guidage. La chambre annulaire I représentée sur la figure I se compose, comme le montre cette figure en vue perspective, de chambres annulaires partielles la, lb, lic, Id, je. lies chambres annulaires partielles sont formées au-moyen de cloisons dé séparation 2. A l'intérieur des cloisons de séparation, comme le montre la cloison de séparation de droite dans la figure i, sont disposés des raccordements des conduites d'aspiration 4 reliées aux ouvertures d'aspiration 3.Le courant d'écoulement principal 6 du fluide à traiter ou à purifier balayant l'arête d'écoulement 5 forme dans la chambre annulaire 1 constituée par les chambres au'aires partielles la à le un tourbillon qui, par une partie de sa zone extérieure, est au contact du courant d'écoulement principal 6 ou se transforme en ce courant. la partie du-fluide pénétrant dans la chambre annulaire forme dans les chambre-s annulaires partielles la à le des champs de force centrifuge. Des deux côtés des cloisons de séparation 2, qui représentent les surfaces de limitation supérieure et inférieure des chambres annulaires partielles, se forment dans le voisinage des cloisons de séparation, à l'intérieur des portions de fluide qui s'écoulent à cet endroit, des effets d'écoulements secondaires aui sont indiqués sur la figure 1 par des lignes en traits inter rompus 7.Comme le montre de plus la figure I, les particules de matière solide contenues dans le fluide en cours d'écoulement formant champ de force centrifuge sont portées par les courants d'écoulement secondaires, comme le montre la ligne pointillée 8 des t#rajectoires de particules de matériau, dans la zone de forces centrifuges de plus en plus grandes et, ce faisant, elles s'éloignent de la surface de limitation supérieure de la chambre de turbulence partielle et de la surface de limitation inférieure, en direction du-milieu de cette chambre et, de cette façon, sous l'effet des forces centrifuges qui deviennent de plus en plus grandes, elles se placent sur des trajectoires en spirale de plus en plus grandes et quittent finalement la chambre de turbulence partielle pour arriver dans le courant d'écoulement principal.Comme l'indiquent les flèches 9, les portions de fluide traitées ou purifiées sont aspirées par les ouvertures d'aspiration 3 et par les conduites d'aspiration 4. Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 comporteun canal d'écoulement 10 s'élargissant en forme d'entonnoir qui se raccorde de façon continue par une arête d'écoulement tl annulaire avec une chambre annulaire 12 à section transversale sensiblement semi-circulaire puis se resserre derrière cette chambre. En plusieurs endroits de la chambre annulaire, de préférence sur sa ligne médiane longitudinale, sont disposées des ouvertures d'aspiration 13 de conduites d'aspiration 14. De même que dans l'exemple de réalisation précédemment décrit, la chambre annulaire 12 est constituée par des chambres annulaires partielles contiguës les unes aux autres. Ces chambres annulaires partielles comportent des cloisons de séparation 15. A l'intérieur des cloisons de séparation passent les conduites d'aspiration t4 qui débouchent dans une conduite annulaire 16. lies cloisons de séparation se présentent ici sous une forme telle que, comme le montrent leurs bords de limitation 17, 18, elles- reeou- vrent aussi, en dépassant la section transversale de la chambre annulaire 12, la zone du canal d'écoulement 10 limitrophe de cette chambre. lies cloisons de séparation 15 servent ainsi en même temps à maintenir et fixer l'élément de construction 19 se trouvant dans le canal d'écoulement 10 et formant la chambre annulaire 12. lie fluide à purifier ou à traiter est amené dans le canal d'écoulement 10 dans le sens de la flèche 20 et forme en balayant le-bord d'écoulement 11 un tourbillon annulaire 21. Le tourbillon annulaire s'étend sur la totalité de la périphérie de la chambre annulaire 12 et, par sa zone contiguë à la surface-annulaire partielle, il est au contact du courant d'écoulement principal 22 ou se transforme en ce courant. Par l'intermédiaire des ouverture d'aspiration 13 et des conduites d'aspiration 14 qui passent à l'intérieur des cloisons de séparation 15, le fluide purifié ou traité est aspiré et est amené à la conduite annulaire 16 d'cù cette portion de fluide, par exemple du gaz pur, sort dans le sens de la flèche 23. lie fluide restant, en quantité diminuée de la portion en volume du fluide aspiré, est emmené par le courant d'écoulement principal 22 dans le sens de la flèche 24 et arrive aux chambres annulaires ou autres chambres de séparation montées en aval. Avec ce mode de réalisation selon l'invention, il se produit également dans le voisinage des cloisons de séparation 15 des effets de courant d'écoulement secondaires dans les chambres annulaires partielles qui augmentent le rendement d'aspiration et améliorent le coefficient de séparation. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 3 comporte un canal d'écoulement 25 s'élargissant et se rétrécissant en forme d'entonnoir qui se raccorde de façon continue par une arête d'écoulement annulaire 26 avec une chambre annulaire 27 de section transversale sensiblement semi-circulaire, puis se resserre à nouveau en aval de celle-ci.En plusieurs endroits de la chambre annulaire, de préférence sur sa ligne médiane longitudinale, sont disposées des ouvertures d'aspiration 28 de conduites d'aspiration 29. lies conduites d'aspiration 29 débouchent dans une conduite annulaire 30 entourant le canal d'écoulement 25. lie fluide à purifier ou à traiter pénètre dans le sens de la flèche 31 dans le canal d'écoulement 25 et, la, il est amené dans un canal d'écoulement principal qui se rétrécit en forme d'entonnoir et qui se courbe de façon à former une surface annulaire partielle intérieure et, à l'entrée dans la surface annulaire partielle, il forme en s'écoulant le long de l'arête d'écoulement annulaire 26 un tourbillon annulaire.La flèche 32 indique la direction du gaz purifié aspiré, tandis que le fluide diminué de la portion de volume as#pirée et-à concentration de particules pulvérulentes augmentée continue à s'écouler suivant la direction de la flèche 33. Dans ltexemple de réalisation représenté sur la figure 4, un canal d'écoulement 34 est muni en nombre voulu d'élargissements et de rétrécissements en forme d'entonnoir de façon à former un nombre correspondant de chambres annulaires 35 disposées les unes derrière les autres. A ces élargissements et rétrécissements sont associées des arêtes d'écoulement annulaires 36 ainsi que des ouvertures d'aspiration 37 et des conduites d'aspiration 38. Les conduites d'aspiration 38 débouchent dans une conduite annulaire 39 entourant le canal d'écoulement 34. lie fluide à traiter, formant écoulement pri#ncipal dans le sens de la flèche 40, passe dans le canal d'écoulement 34 et traverse les chambres de turbulence 35. Dans ces chambres, une portion purifiée ou traitée de volume du fluide qui s'écoule est séparée du reste de façon décrite plus haut et est amenée par les ouvertures d'aspiration 37 et les conduites d'aspiration 38 à la conduite annulaire 39 d'où elle sort comme l'indique la flèche 41. Le restant du fluide en circulation, qui contient maintenant une concentration plus élevée du produit, quitte le canal d'écoulement 34 dans le sens de la flèche 42. D'une façon différente, on peut également prévoir plusieurs chambres annulaires disposées les unes derrière les autres avec uniquement des élargissements en forme d'entonnoir ou uniquement des rétrécissements en fo#rme d'entonnoir. La figure 4 montre un canal d'écoulement principal 43 qui se ramifie en plusieurs canaux d'écoulement partiels 44, 45, 46, de forme ondulée disposés les uns à côté des autres, le long des côtés concaves desquels se trouvent des arêtes d'écoulement, des zones de turbulence et des arêtes d'attaque du courant. il s'agit donc là d'un dispositif combinant les dispositions en série et en parallèle des tourbillons 47. La figure 6 montre un autre mode de réalisation de l'inven- tion. k l'intérieur d'une# chambre de turbulence 48 sont disposées concentriquement l'une dans l'autre deux chambres collectrices 49, 50. La chambre collectrice extérieure 50 est reliée à la chambre de turbulence 48 au moyen d'une ouverture de passage 51 annulaire se trouvant sur la paroi de la chambre de turbulence et la chambre collectrice intérieure 49 est reliée à cette même chambre au moyen d'une ouverture de passage 53 annulaire se trouvant sur une conduite d'aspiration 52 pour le fluide purifié ou traité.Cette dernière ouverture de passage est formée par une plaquette 54 de forme annulaire séparant les chambres collectrices 50, 51 de la chambre de turbulence 48 et par un dispositif de guidage 55 monté sur le tuyau d'aspiration 52. A chacune des chambres collectrices 48, 50 est associée une conduite d'aspiration de fraction fine 56, 57. Comme d'habitude, il se forme dans le courant d'écoulement principal et dans les chambres de turbulence des courants d'écoulement secondaires dûs aux frottemfts sur les parois. Ces écoulements sont indiqués sur la figure -6 par la flèche 58. Dans le dispositif représenté sur la figure 6, les ouvertures de passage Si et 53 peuvent également agir individuellement, c'est-à-dire que le dispositif est aménagé de telle sorte qu'une des deux ouvertures de passage n'existe pas. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 7 comporte une chambre de turbulence 59 de section sensiblement semi-circulaire dans laquelle, au moyen d'un courant d'écoulement principal passant dans le sens de la flèche 61 dans un canal d'écoulement 60 formant un coude et pénétrant en partie dans la chambre de turbù- lence, est engendré un champ de force centrifug@. Sortant de ce champ de force, le fluide purifié ou traité est évacué dans le sens axial par une conduite d'aspiration 63 faisant saillie à l'intérieur de la chambre de turbulence 59.Dans la zone du passage de la conduite d'aspiration pour le fluide purifié ou traité, #est raccordée à la chambre de turbulence 59 une conduite d'aspiration de produits -fins 65 équipée d'une soufflerie 64 qui débouche derrière la chambre de turbulence dans le canal d'écoulement 60 du courant d'écoulement principal et qui est parcourue par le fluide dans le sens de la flèche 66. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 8, deux chambres annulaires 67, 68 sont disposées l'une audessus de l'autre. lie fluide 69 à purifier ou à traiter est dirigé dans un courant d'écoulement principal s'élargissant en forme d'entonnoir et formant un coude pour donner naissance à des surfaces annulaires partielles extérieures 70, 71, qui produit dans les ~annulalre s chambres 6?,- 68, des tourbillons annulaires 72, 73. Ces tourbillons sont au contact, par leurs zones adjacentes, aux -surfaces annulai principal res partielles 70, 71, avec le courant ment en ce courant à cet endroit.A partir des tourbillons annulaires 72, 73,du fluide purifié ou traité est aspiré en plusieurs endroits, de préférence le long de la ligne médiane longitudinale, dans le sens des flèches 74, 75, et est évacué du dispositif dans le sens des flèches 76, 77, 78, 79. lie fluide restant, diminué en volume d'une quantité correspondant à cette portion de fluide, est emmené avec le courant d'écoulement principal dans le sens des flèches 80, 81. Dans le canal d'écoulement 82 pour le fluide 69 est prévue, en avant des chambres annulaires 67, 68, une chambre d'injecteur 83 avec une tuyère d'entrée d'air comprimé 84. Sur la périphérie des chambres annulaires 67, 68, sont disposées des ouvertures de passage 86, 87, pour les particules de matière solide à séparer 88, reliées à un récipient collecteur 85. Par la tuyère d'entrée d'air comprimé 84 on amène de l'air comprimé 89 qui pénètre dans la chambre d'injecteur 83. De cette façon, de l'air comprimé est amené et ajouté au fluide à purifier ou à traiter 69 avant qu'il n'entre dans les tourbillons annulaires 72, 73. il en résulte qu'il se produit une séparation directe de particules de matière solide à partir de la portion qui reste dans le courant d'écoulement principal-ou qui y revient à partir des tourbillons annulaires. lies particules de matière solide 88, qui se rassemblent à la périphérie des tourbillons annulaires, sont ainsi directement séparées des tourbillons annulaires et, passant les ouvertures de passage 86, 87, se déposent dans le récipient collecteur 85 qui se trouve en-dessous des chambres annulaires 67, 68, superposées. lies dispositifs de guidage 90, 91, 92, 93, représentés sur la figure 9, ont exclusivement des sections transversales en forme d'ailes d'avion. Ils se trouvent dans un canal d'écoulement 94 dans la courbure concave duquel est logée une chambre de turbulence 95 et qui est parcouru, dans le sens de la flèche 96, par un fluide gazeux ou liquide. Ce dernier donne naissance, dans la chambre de turbulence 95, à un champ de force centrifuge 97. Ici aussi, les dispositifs de guidage forment des fentes de passage 98, 99, 100, 101. Le fluide purifié ou traité est évacué du champ de force centrifuge, dans le sens axial en direction de la flèche 103, par une conduite d'aspiration 102 faisant saillie à l'intérieur de la chambre de turbulence 95. On a figuré en 104 l'arête d' écoulement. REVEaiDICATIONS 1. Procédé pour la séparation de produits en suspension dans un fluide gazeux ou liquide sous l'action de la force centrifuge, le fluide à traiter ét#ant amené dans un courant d'écoulement principal courbe où, balayant une arête d'écoulement, il donne naissance sur le côté concave de ce courant principal à un tourbillon stationnaire qui est au contact du courant d'écoulement principal et/ou se transforme en ce courant principal et dans lequel les produits en suspension ou le fluide purifié sont séparés en des emplacements appropriés, tandis que le fluide dont le volume est diminué de la portion séparée continue à s'écouler avec le courant d'écoulement principal, caractérisé en ce que la forme géométrique du tourbillon, y compris celle de l'axe du tourbillon, est adaptée aux exigences requises. 2. Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que le fluide à traiter est amené dans un courant d'écoulement principal s'élargissant et/ou se rétrécissant en forme d'entonnoir, courbé de façon à former une couche annulaire partielle extérieure ou intérieure, où il donne naissance à l'entrée à un tourbillon annulaire en forme de bourrelet annulaire qui, par sa zone contiguë à la couche annulaire partielle, est au contact du courant d'écoulement principal ou se transforme en ce courant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que plusieurs tourbillons sont formés en série et/ou parallèlement l'un à l'autre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l'intérieur de la chambre de turbulence, une séparation s'effectue dans la zone de concentration maximale de la phase ayant le poids spécifique le plus élevé. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la portion volumétrique séparée comportant la phase à poids spécifique le plus élevé est amenée devant ou derrière la chambre de turbulence dans le canal du courant d'écoulement principal. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide à traiter passe dans des chambres de turbulence partielles contiguës les unes aux autres. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que de l'air comprimé est amené au fluide à traiter dans -la zone du tourbillon. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules qui se rassemblent sur la périphérie du tourbillon sont évacuées directement du tourbillon. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant d'écoulement principal formant courant d'écoulement de circulation passe devant une zone ou plusieurs zones de turbulence. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le canal d'écoulement forme devant ou derrière la chambre de turbulence une chambre d'injecteur avec une ou plusieurs buses d'entrée d'air comprimé. et en ce que, à la périphérie de la chambre de turbulence, sont disposées des ouvertures de passage pour les particules à séparer, reliées à un récipient collecteur. il. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, dans la zone de la chambre de turbulence faisant saillie dans la courbe concave du canal d'écoulement, sont prévus des dispositifs de guidage formant des fentes de passage.