Brevet FR2281170A1 — publié le 19760305

La présente invention concerne les cyclones permettant de séparer dans un mélange, deux phases de masses spécifiques différentes. Certains cyclones connus comportent un corps tubulaire cylindrique fermé, présentant une tubulure d'admission du mélange, de préférence tangentielle, située près de l'une de ses extrémités et, à l'opposé dans la direction axiale, un orifice d'évacuation de la phase légère ; ce corps délimite des ouvertures débouchant dans une enceinte collectrice périphérique pour l'évacuation de la phase lourde sous l'effet du champ centrifuge engendré par la rotation du mélange due à l'6nergie cinétique d'admission de ce dernier. L'inconvénient majeur de ces cyclones connus est que la présence sur le corps tubulaire, entre les ouvertures latérales situées dans un même plan de giration du mélange, de parties peines provoque la formation à la périphérie interne de ce corps de turbulences qui ont tendance à remélanger la phase lourde qui est parvenue à cet endroit après séparation, avec le mélange en giration. Dans ces conditions, l'enceinte collectrice ne recueille pas uniquement de la phase lourde et la phase légère évacuée contient toujours un peu de phase lourde. Autrement dit, la phase à extraire du mélange n'est jamais parfaitement pure et le rendement de la séparation n'est pas excellent. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en visant une séparation pratiquement parfaite. Conformément à l'invention, le corps comporte un dispositif de transfert de la phase lourde dont les éléments constitutifs délimitent deux à deux des ouvertures continues s'étendant sur tout le pourtour du corps et présentent chacune une pente dirigée de la zone centrale vers la zone périphérique si l'on considère le sens d'écoulement axial de cette phase lourde. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse, le dispositif de transfert est un empilage de déflecteurs tronconiques constituant les éléments précités. Du fait que les déflecteurs définissent deux à deux une fente annulaire sur tout le pourtour du corps, l'écoulement de la phase lourde vers la périphérie pendant le mouvement giratoire de celle-ci, s'effectue sans obstacle et la continuité qui en résulte s'oppose à la formation de turbulences internes et en conséquence, au remélange de la phase lourde dans ce corps. Par ailleurs, les déflecteurs étant très rapprochés les uns des autres, l'écouMment entre eux est sensiblement laminaire, ce qui évite également la formation de turbulences dans cette zone. En outre, le bord de ces déflecteurs faisant saillie dans le corps, étant mince et s'étendant à cet endroit dans le plan giratoire correspondant du mélange, aucune perturbation de l'écoule- ment de celui-ci dans ce corps n'est à craindre. Enfin, la pente des déflecteurs par rapport à ce plan giratoire est suffisante pour que la phase lourde précitée vers la périphérie par la force centrifuge, rencontre obligatoirement une face des-dits déflecteurs et glisse le long de celle-ci jusque dans l'enceinte collecttice ; la phase lourde se trouvant ainsi véritablement piégée sans espoir de retour vers l'intérieur du corps. Un but subsidiaire de l'invention est de mieux contrôler le rayon et la vitesse de centrifugation, leur variation au cours du traitement et la durée de la séparation. A cet effet, et conformément à l'invention, la cavité interne du corps dans laquelle le mélange à traiter circule en engendrant un champ centrifuge est au moins un canal hélicoïdal connu en soi, débouchant latéralement en regard des fentes délimitées par les déflecteurs, la section de ce canal hélicoïdal étant décroissante dans le sens d'écoulement du mélange à traiter. Divers autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées à titre d'exemples non limitatifs,sur le dessin annexé. Sur ce dernier - les figures 1 à 4 sont des coupes axiales schématiques illustrant plusieurs formes de réalisation du cyclone perfectionné selon l'invention. - la figure 5 est une coupe schématique montrant l'application de tels cyclones à une centrifugeuse. - la figure 6 est une perspective partielle mettant en évidence une variante d'exécution de l'empilage de déflecteurs. Ainsi que cela ressort cSirement de la figure 1, le cyclone comprend un corps tubulaire cylindrique 1 fermé par une plaque supérieure 2 et solidaire d'une tubulure tangentielle d'admission 3 débouchant près de celle-ci. Le corps 1 et un tuyau coaxial 4 délimitent entre eux une chambre 5 dans laquelle le mélange à traiter pénètre tangentiellement par la tubulure 3 et tourne à grande vitesse en même temps qu'il s'écoule axialement vers le bas. Cette rotation engendre un champ centrifuge grace auquel les phases composant le mélange se séparent en se dirigeant, pour la plus lourde, vers la périphérie et, pour la plus légère, vers le centre. Suivant l'invention, la chambre 5 communique par des fentes annulaires 6 avec une enceinte collectrice 7 entourant solidairement le corps 1 ; ces fentes s'étendent sur tout le pourtour de ce dernier, dans les plans de giration du mélange elles sont délimitées par un empilage de déflecteurs tronconiques 8 s 'étendant entre la tubulure d'admission 3 et l'orifice 9 du tuyau 4 par lequel la phase légère s'échappe ; les déflecteurs divergent vers l'extérieur dans le sens d'écoulement axial du mélange; ils sont maintenus écartés les uns des autres par des tiges ou des nervures longitudinales, non représentées sur le dessin les les nervures peuvent être rectilignes et situées dans des plans radiaux du cyclone ou bien être hélicoSdales. Par suite , au fur et à mesure que la phase lourde parvient près des fentes 6, elle est projetée par le champ centrifuge à travers celles-ci dans l'enceinte 7. Au passage, elle frappe les déflecteurs 8 qui, étant donné leur inclinaison, dirigent cette phase lourde contre la paroi in terne, de l'enceinte 7 et vers l'aval ; dès lors la phase lourde s'accumule dans l'enceinte et ne peut pas revenir dans la chambre 5 pour se remélanger avec la phase légère. Dans ces conditions, le mélange en circulant axialement dans le corps 1 vers l'aval, s'aprauvit en phase lourde et au niveau de l'orifice 9, il ne subsiste pratiquement plus que la phase légère ; par suite, seule cette dernière est évacuée par le tube 4. Selon un premier mode d'exécution du cyclone (figures 1 et 3), le corps 1 et l'enceinte 7 sont prolongés par des parties tronconiques la et 7a convergeant vers l'aval ; ces parties présentent des orifices inférieurs 10 et 11 à travers lesquels la phase lourde, glissant le long des parois, tombe dans une botte 12munie d'une vis extractrice 13 évacuant cette phase lourde. Selon un deuxième mode d'exécution du cyclone illustré par les figures 2, 4 et gracie auquel les pertes de charge se trouvent considérablement atténuées, le corps 1 est fermé par une plaque inférieure 14 et solidaire, à proximité de celle-ci, d'une tubulure tangentielle 15 pour l'évacuation de la phase légère, cette tubulure d'évacuation étant orientée, par rapport à la tubulure d'admission 3 de façon que la phase mise en rotation à la sortie de cette dernière s'engage naturellement dans ladite tubulure d'évacuation. Le tube 4 peut ou non exister. S'il est présent, il ne sert pas à l'évacuation de la phase légère, mais favorise, étant donné sa situation axiale, la rotation du mélange. L'enceinte 7 de piégeage de la phase lourde est fermée par un fond amovible 16 sur-lequel cette phase lourde s'accumule et est pErio- diquement extraite. Quel que soit le mode d'exécution du cyclone, l'empila- ge de déflecteurs tronconiques 8 peut entre solidaire du corps 1 comme reprEsent6-sur les figures 1 et 2 ; dans ce cas cet empilage est fixe. Mais il peut être avantageux que cet empilage soit libre de tourner comme cela ressort de la figure 3. A cet effet, les déflecteurs tronconiques 8, reliés solidairement entre eux par des tiges ou nervures, constituent un équipage mobile monté tournant, grace à des paliers 17, relativement aux extrémités fixes la et lb du corps 1, cet équipage prolongeant rigoureusement lesdites extrémités. Ainsi, le mélange tournant entratne en rotation, par glissement fluide, l'équipa- ge mobile, de sorte que la phase lourde s'écoulant par la force centrifuge, à travers les ouvertures 6 délimitées par les déflecteurs 8, est plus efficacement éjectée par ces derniers du fait qu'ils tournent. Le cyclone, objet de l'invention, quelle que soit sa réalisation, est utilisable de façon statique ou bien en combinaison avec une centrifugeuse. Dans le cadre de cette application particulière schématisée sur la figure 5, plusieurs cyclones 18 sont montés sur un plateau tournant 19 de centrifugeuse. Ils s'étendent dans des directions sensiblement radiales. Ils sont disposés de façon que leurs tubulures tangentielles d'admission 3 soient situées près du centre et reliées à une botte centrale 20 de distribution du mélange : leurs orifices d'évacuation 9 (ou 15) de la phase légère sont branchés sur une botte collectrice 21 également centrale, tandis que leurs enceintes 7 canalisent la phase lourde vers la périphérie. Dans l'exemple représenté, les bottes 20 et 21 sont raccordées, par l'intermédiaire de joints tournants 22 et 23, à des tuyauteries fixes 24 et 25 s'étendant coaxialement à travers l'arbre tubulaire 26 d'entratnement du plateau 19. Ainsi le champ centrifuge engendré par la rotation de ce plateau est orthogonal à celui apparaissant dans chaque cyclone sous l'effet de l'énergie cinétique d'admission du malange. En raison de cette combinaison des champs centrifuges, la séparation des phases se trouve considérablement améliorée. Par ailleurs, il peut Btre avantageux pour améliorer l'effet de centrifugation, que le cyclone soit statique ou animé d'une rotation perpendiculaire à son axe et que l'empilage de déflecteurs 8 soit fixe ou libre de tourner, de mieux contrôler la circulation du mélange dans le corps 1. A cet effet et ainsi que cela ressort de la figure 4, un noyau cylindrique 27 est monté sans jeu dans cet empilage de déflecteurs 8 et porte par conséquent contre le bord intérieur de ces derniers. Le noyau 27 présente une gorge hélicoïdale 28 ouverte à la périphérie sur les fentes d'évacuation de la phase lourde 6 délimitées par lesdits déflecteurs. A ses extrémités, la gorge 28 débouche dans deux chambres 29 et 30 du corps 1 sur lesquelles sont branchées des tubulures 31 et 32 ; celles-ci sont de préférence tangentielles pour permettre leur raccordement, avec le minimum de pertes de charge, de la veine fluide s'écoulant dans ladite gorge ; cependant, dès lors que le mouvement cyclonal est inévitable en raison du guidage engendré par le noyau 27 dans la gorge, rien ne s'oppose à ce que les tubulures soient radiales, axiales ou orientées différemment. Pour la même raison et étant donné que la phase lourde est extraite du mélange et évacuée dès que la séparation est opérée, l'écoulement de ce mélange peut être ascendant comme représenté, ou descendant comme habiaellement dans un cyclone, l'admission de ce mélange étant effectuée à grande vitesse respectivement par la tubulure 32 ou la tubulure 31. I1 est clair que la conformation de la gorge 28 (rayon, section et nombre de spires) détermine, pour une énergie cinétique d'admission donnée, l'intensité du champ centrifuge engendré et la durée d'intervention de ce dernier. Ainsi, la section de la gorge 28 peut être constante sur toute la longueur, cependant elle est de préférence décroissante de l'amont vers l'aval, si l'on considère le sens d'écoulement du mélange à traiter illustré par les flèches, de façon que l'intensité du champ centrifuge croisse au fur et à mésure que le mélange s'appauvrit en phase lourde. Dans ce qui précède, le corps 1 qu'il soit fixe ou monté tournant librement dans un cyclone statique ou équipant une centrifugeuse, est composé de déflecteurs tronconiques 8 délimitant des fentes annulaires superposées 6. Il est bien évident que cette pluralité de fentes peut être remplacée, ainsi que cela ressort de la figure 6, par une fente continue héli cotidale unique 33. Dans ce cas, la fente 33 est délimitée par une coquille hélicotdale 34 dont la directrice est une hélice cylindrique et dont les génératrices ont la pente des déflecteurs 8. Dès lors, chaque spire 35 de cette coquille est assimilable à un déflecteur vrillé se raccordant aux autres d'une façon continue. Bien entendu, l'épaisseur et l'écartement desdites spires doivent être analogues à ceux desdits déflecteurs. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation représentées et décrites dans ce qui précède, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. Le cyclone, objet de l'invention, peut être utilisé dans tous les cas où il s'agit de séparer et d'éliminer d'un mélange de phases , la phase la plus dense, même si elle existe en proportion relativement plus faible. I1 est applicable notamment au dépoussiérage des gaz, au lavage des gaz, à la clarification des liquides, etc. REVENDICATIONS 1. Cyclone perfectionné pour la séparation d'au moins deux phases-de masses spécifiques différentes, comprenant un corps tubulaire cylindrique fermé, présentant une tubulure d'admission du mélange, de préférence tangentielle, située près de l'une de ses extrémités et, à l'opposé dans la direction axiale, un orifice d'évacuation de la phase légère, ce corps délimitant des ouvertures débouchant dans une enceinte collectrice périphérique pour î1évacua- tion de la phase lourde sous l'effet du champ centrifuge engendré par la rotation du mélange due à l'énergie cinétique d'admission de celui-ci, ce cyclone étant caractérisé en ce que le corps comporte, entre la tubulure d'admission et l'orifice d'évacuation, un dispositif de transfert de la phase lourde dont les éléments constitutifs délimitent deux à deux des ouvertures continues s'étendant sur tout le pourtour du corps et présentent chacun une pente dirigée de la zone centrale vers la zone périphérique si l'on considère le sens d'écoulement axial de cette phase lourde. 2. Cyclone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transfert est un empilage de déflecteurs tronconiques constituant les éléments précités. 3. cyclone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transfert, monolithique et continu, présente la forme d'une surface hélicofdale dont la directrice est une hélice et dont les génératrices sont des lignes inclinées suivant la pente considérée, ses spires constituant les éléments précités. 4. Cyclone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de transfert est solidaire du corps. 5. Cyclone selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que le dispositif de transfert est monté tournant relativement a deux parties extrêmes du corps et susceptible d'entre librement entraîné en rotation par le mélange. 6. Cyclone selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que - la cavité interne du corps dans laquelle le mélange à traiter circule en engendrant un champ centrifuge est au moins un canal hélicotdal connu en soi, débouchant latéralement en regard des ouvertures d'évacuation de la phase lourde, - et en ce que la section de ce canal hélicoïdal est décroissante dans le sens d'écoulement du mélange à traiter. 7. Cyclone selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est appliqué à une centrifugeuse et, qui cet effet, plusieurs cyclones sont montés suivant des directions sensiblement radiales sur le rotor de cette centrifugeuse, leurs tubulures d'admission étant reliées à un distributeur central du mélange, tandis que leurs orifices d'évacuation de la phase légère sont branchés sur un collecteur.