Brevet FR2281158A1 — publié le 19760305

L'invention concerne un procédé de mélange d'au moins deux fluides en même phase et ayant au moins approximativement la meme densité, ainsi qu'un mélangeur statique pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le problème se pose fréquemment en génie chimique et en technique de transformation d'énergie d'avoir à mélanger deux courants partiels ou davantage de fluides en même phase et ayant au moins approximativement le même densité (liquides ou gazeux). Les mélangeurs dits statiques et dont le fonctionnement n'exige aucun élé- ment mécanique mobile (agitateur, etc.) sont souvent utilisés dans ce but. L'énergie nécessaire au mélange est prélevée dans ces appareils sur les fluides traités (chute de pression). Les mélangeurs de ce type doivent toujours permettre de rapprocher au mieux les grandeurs déterminant le mélange (concentration, température, conductibilité thermique, etc.) d'une valeur correspondant à celle d'un mélange idéal en chaque point de la section de sortie de l'appareillage.En d'autres termes, les écarts de la moyenne locale par rapport à la valeur idéale ainsi que les fluctuations dans le temps de part et d'autre de la moyenne locale doivent être très faibles dans la section de sortie. Ces critères prennent une importance particulière lorsque les grandeurs déterminant le mélange doivent être mesurées. Leg écarts par rapport à la moyenne locale sont alors la cause d'erreurs systématiques de mesure et les fluctuations dans le temps, d'erreurs aléatoires de mesure. Lorsque la grandeur déterminant le mélange doit non seulement être mesurée, mais de plus réglée, non seulement les erreurs mentionnées de mesure, mais de plus le déroulement dynamique du processus à l'intérieur du mélangeur prennent de l'importance.Une gray deur caractéristique en est le temps de passage T déterminé par la relation v T= tot dans laquelle V = capacité du mélangeur Vtot = débit total (flux volumique). I1 faut faire tendre le temps de passage à une très faible valeur pour obtenir des caractéristiques avantageuses de réglage. Pour porter un jugement de valeur en pratique sur les mélangeurss il faut bien entendu tenir compte dans chaque cas aussi de la consommation d'énergie (chute de pression). Finalement, ces mélangeurs doivent en général pouvoir fonctionner en régime permanent sans nécessiter pratiquement aucun entretien. Ce critère prend une importance particulière lorsque les solides entrainés par les composantes devant être mélangées (eaux usées, etc.) soulèvent un risque de colmatage. Il existe certes différents mélangeurs statiques ayant l'une ou plusieurs des caractéristiques recherchées, mais aucun ne les a toutes. Ainsi, par exemple, les mélangeurs utilisant l'effet produit par des variations brusques de section (voir la figure 1 des dessins annexés) assurent certes un bon mélange en satisfaisant au critère de faible consommation d'énergie. Mais par contre, la durée de passage dans ces mélangeurs est relativement très grande. Par ailleurs, l'expérience a montré que les mélangeurs à l'intérieur desquels des déflecteurs sont rapportés (voir la figure 2) s'encrassent très facilement lorsque ce risque existe (impuretés fibreuses, etc.). Le procédé et le dispositif de l'invention représentent à cet égard un compromis optimal des critères dont certains se contredisent. Le procédé de l'invention consiste essentiellement à imposer une circulation giratoire à l'un des fluides au moins et à le mélanger aux autres qui sont ou ne sont pas en rotation. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel les figures 1 et 2 préalablement mentionnées sont des coupes longitudinales schématiques des modes de réalisation antérieurs mentionnés en préambule la figure 3 est une vue en plan schématique d'une chambre cylindrique de giration à deux conduits d'admission coaxiaux la figure 4 est une élévation de la chambre de giration de la figure 3 à tuyau central d'évacuation la figure 5 est une vue schématique en plan d'une chambre cylindrique de giration à quatre tubulures d'admission de fluides, disposées symétriquement et dont les axes sont dans un meme plan la figure 6 est une vue schématique en plan d'une chambre cylindrique de giration à tubulure d'admission de fluide dont la section va en diminuant ;; la figure 7 est une élévation schématique de la chambre de giration de la figure 6 ; et la figure 8 est un graphique représentant la répartition de la vitesse sur la section drune chambre de giration de section circulaire en fonction du rayon de cette chambre. Les figures 1 et 2 représentent l'art antérieur mentionné en préambule ; par contre les figures 3 et 4 illustrent une chambre cylindrique 1 de giration à base circulaire et à tubulure interne 3 d'admission d'un premier fluide M1 et à tubulure extérieure 5, coaxiale à la précédente, d'admission d'un second fluide N2. Les deux fluides N1 et M2 sont en même phase et ont au moins approximativement la même densité. Une tubulure 7 ou 8 d'évacuation coaxiale à la chambre 1 de giration débouche sur l'un et/ou l'autre des côtés de cette dernière. Les deux fluides N1 et N2 parviennent ensemble par les tubulures 3 et 5 d'admission dans la chambre 1. Ils sont guidés dans cette dernière par la paroi cylindrique qui leur impose une circulation giratoire. Les deux fluides sortent axialement, après avoir été mélangés, par une ou par les deux tubulures 7 et 8 d'évacuation. La chambré 1 de giration constitue ainsi un élément dit puits de type à tourbillon potentiel dans lequel le produit de la distance à l'axe longitudinal de la chambre 1 par la vitesse régnant au lieu correspondant est au moins approximativement constant en chacun de ces lieux (compte non tenu des circulations secondaires). L'arrivée tangentielle des fluides et leur évacuation coaxiale sont la condition essentielle de la création d'un tourbillon de ce type. L'expérience a montré que les courants tourbillonnaires de ce type réunis dans une chambre de giration se mélangent extrêmement vite et bien et font apparaitre un mélange homogène pratiquement parfait dans les tubulures d'évacuation 7 et 8. Un processus de mélange de ce type est applicable aussi bien aux fluides liquides que gazeux. La figure 5 illustre une chambre il de giration à quatre tubulures tangentielles symétriques 13, 14, 15 et 16 d'admission et à une tubulure centrale 18 d'évacuation. Les axes des tubu lures 13 à 16 peuvent êtrs situés dans le mëme plan ou dans des plans différents. Ces quatre tubulures peuvent admettre toutes des fluides différents ou deux à deux les mêmes fluides. Le mélange pratiquement parfait sort par la tubulure 18 d'évacuation. Les figures 6 et 7 illustrent une autre variante de réalisation à chambre 21 de giration, à une tubulure 23 d'admission et une tubulure 25 d'évacuation. La tubulure 23 d'admission a une section qui va en se rétrécissant vers la chambre 21 de manière à accroitre la vitesse à l'entrée dans cette dernière et donc à y accélérer le mouvement de giration, les pertes de pression dans ce conduit d'admission restant faibles. Aucune de ces chambres de giration ne renferme. un réflecteur quelconque et en particulier ne contient une tôle mélangeuse ou analogue. Le libre jeu des forces à l'intérieur de la chambre, dû aux forts gradients radiaux de vitesse, a pour conséquence que les grandeurs dé erminant le mélange sont importantes. La figure 8 représente la courbe de la vitesse en fonction de la section d'une chambre cylindrique 29 de giration qui comporte une enveloppe cylindrique 28 délimitant extérieurement cette chambre, ainsi qu'une tubulure axiale 31 d'évacuation. Comme mentionné précédemment, la circulation giratoire présentant en tous lieux de forts gradients radiaux de vitesse produit un excellent mélange avec une faible durée de passage. Cette circulation ayant approximativement la forme d'un puits à tourbillon potentiel, elle satisfait à la relation suivante dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie longitudinal de la chambre de giration r . c -- constant dans la plage g c r c R relation dans laquelle f désigne le rayon de la section de la tubulure d'évacuation, r, la distance d'un point situé à l'intérieur de la section considérée de la chambre de giration à l'axe de symétrie longitudinal de cette chambre, R désigne le rayon de la chambre de giration et c désigne la vitesse régnant au point situé à ladite distance r. Cette courbe des vitesses correspond à une partie d'une hyperbole équilatérale. Alors que toutes les chambres de giration des exemples décrits sont cylindriques à base circulaire, elles peuvent aussi être des corps de révolution à génératrice trapézoïdale, ellip tique ou circulaire. Les conduits d'admission des fluides dans la chambre sont au moins approximativement tangentiels, les axes des tubulures d'admission étant de préférence situés dans le même plan, éventuellement dans des plans parallèles. Les mélangeurs statiques de ce type tels que constitués par les chambres décrites de giration ont tous les caractéristiques avantageuses suivantes, à condition d'être convenablement construits: il n'existe plus que de petits écarts des grandeurs moyennes locales de sortie par rapport aux moyennes idéales à l'évacuation de la chambre mélangeuse il n'existe également plus que de petits écarts des grandeurs de sortie en fonction du temps par rapport aux moyennes locales les durées de passage sont faibles les pertes de pression sont réduites le risque d'encrassement est minimal et les possibilités de nettoyage sont extrêmement bonnes. il est aussi possible en principe de réunir les composantes devant être mélangées (toutes ou certaines seulement) en amont de la chambre de giration et de les admettre ensemble par une unique tubulure. il est ainsi possible, notamment dans le cas d'un débit constant d'évacuation, de réduire les variations de la giration, ou de la maintenir, comme la qualité du mélange, à une valeur constante, même lorsque les grandeurs déterminant les différentes composantes fluctuent. il va de soi que les mélangeurs statiques décrits et représentés peuvent subir diverses autres modifications sans sortir du cadre de l'invention. FEçEiiDICATION, 1. Procédé de mélange d'au moins deux fluides en même phase et ayant au moins approximativement la meme densité, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à imposer une circulation giratoire à l'un des fluides au moins et à le mélanger aux autres qui sont ou ne sont pas en rotation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste de plus à mélanger les fluides de manière que leurs vecteurs de vitesse soient au moins approximativement dans un plan. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste de plus à produire un puits de type à tourbillon potentiel. 4. Mélangeur statique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est constitué en chambre de giration à admissions au moins approximativement tangentes des fluides devant être mélangés. 5. Mélangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il ne renferme aucun déflecteur ni en particulier aucune chicane. 6. Mélangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre est constituée en corps de révolution à génératrice rectangulaire, trapézoldale,elliptique ou circulaire. 7. Mélangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux admissions disposées l'une dans l'autre, par exemple concentriques, des fluides devant être mélangés. 8. Mélangeur selon-la revendication 4, caractérisé en ce que les tubulures d'arrivée des fluides débouchent dans une tubulure commune menant à l'intérieur de la chambre de giration.