Brevet FR2323437A1 — publié le 19770408

Les appareils mélangeur comportant dés pièces incorporées fixes de géométrie différente sont appelés des mélangeurs statiques. On connaît deux types principaux de mélangeurs statiques qui reposent sur le principe de la formation de couches. Pour un des types de mélangeur, la formation de couches se fait par division répétée du débit d'ensemble en débits séparés, déplacement et de nouveau réunion des divers débits en un débit commun. Pour l'autre type de mélangeur, la formation de couches se fait en-communiquant un mouvement de rotation à la masse en écou- lement tout en provoquant des variations de vitesse en direction axiale et radiale et en alteraant les sens de rotation. L'invention concerne un mélangeur statique du premier type pour le mélange d'une matière de haute viscosité liquide ou solide constitué par un tube creux de section constante suivant la-longueur duquel sont disposés toute une série d'éléments mélangeurs fixes. On connaît un mélangeue statique créant des aurfaces limites constitué de plusieurs éléments de mélange s'emboîtant les uns dans les autres, dans lequel chaque élément de mélange possède, h l'entrée et å la sortie, des entailles de 1200 qui sont décalées l'une par rapport h l'autre de 900. Ces entailles forment des cham- bres tétraédriques reliées l'une à l'autre par des alésages. Les alésages à l'entrée de l'élément de mélange sont alors disposés sur une ligne horizontale tandis que du cbté de la sortis, ils sont disposés sur une ligne verticale ou vice versa. Chaque mélangeur est constitué de plusieurs éléments de mélange reliés les uns aux autres par des moyens de fixation correspondants. L1 inconvénient de cette solution réside en ce que.la disposition des éléments de mélange dans le canal d'écoulement occasionne des pertes de charge considérables par rapport à un tuyau vide équivalent. En outre, pour parvenir h un degré de mélange suffisant, il est nécessaire avoir ure vitesse de cisaillement minimale suf- fisante au seir ae le ma 9o.e2; a mélanger pour vaincre les diffdren- ces de viscosité qui y rognent habituellement.Avec ce dispositif, on n'obtient pas cette vitesse minérale dans la matière à mélanger, il ne se produit donc pas de compensation de la viscosité et le degré de mélange est fafo@e. En outre, cette solution ne procure qu'un mélange transversal minimal, ce qui fait encore que la transmission de chaleur au sein de la matière h mélanger est faible. A cause de l'étroitesse des voies d'écoulement, l'entretien et le nettoyage de ces mélangeurs sont très conteur et ils ne sont pas autonettoyants. A cause de leur forme géométrique et de leurs dimensions, ces éléments sont difficiles et donc de fabrication co0- teuse. En variante de cette solution, les chambres tétraédriques sont conçues comme des espaces creux reliés les uns aux autres par une disposition correspondante de conduites tubulaires. Cette variante est cependant entachée des mimes inconvénients. Dans une autre solution connue, le débit principal h mélanger est tout d'abord subdivisé perpendiculairement aux couches par des déflecteurs et les débits partiels sont déformés par une diminution de l'épaisseur des couches. Dans cette solution, la section d'entrée des déflecteurs ou éléments de conduite est carrée, et chaque élément comporte deux canaux dont les sections d'entrée voisines devant remplir l'entrée de l1élément conducteur sont des rectangles de même taille. Ces rectangles se rétrécissent tout d'abord en carrés diagonalement opposés ayant la moitié de la section du rectangle et s'élargissent ensuite en rectangles adjacents de taille originale, leur position ayant tourné de 900 . Le grand inconvénient de cette solution est que la forme et la disposition des canaux conducteurs créent un déplacement dea couches par formation de surfaces limites mais ne procurent pas un mélange transversal suffisant et n'améliorent que de façon insuff i- sante l'homogénéité de la masse. La disposition proposée pour les éléments conducteurs crée en outre des espaces morts qui empochent un écoulement de la masse, ce qui, dans le cas d'une matière plas- tique fondue, peut quelquefois conduite b une décomposition thermique.En outre, h cause de leur forme compliquée, la fabrication des éléments mélangeurs est relativement oofteuse. Un autre inconvénient réside dans le fait que, pour arriver à un mélange désiré de composants, il faut respecter des conditions d'introduction déterminées. C'est ainsi tUJiL est ar exemple nécessaire que la répartition dans l'espace et dans le temps de tous les composants liquides soit régulière pour parvenir malgré le faible mélange transversal à une homoéit suffisante. Le but de l'irwention est d'améliorer l'homogénéité thermique et mécanique au sein de la section dtécoulement des matières b mélanger, d'augmenter la transmission de chaleur, de réduire les pertes de charge et dtexcrure le danger d'une décomposition thermi que des matières à mélanger, en créant un mélangeur statique dont les éléments mélangeurs aient une forme et une disposition telles qu'elles procurent une subdivision répétée du débit principal en débits séparés dont le déplacement et le rassemblement en un débit commun soient accompagnés en permanence d'un mélange transversal correct et d'un autonettoyage efficace.Le but de l'invention est encore d'augmenter le mélange mécanique et de réduire les exigences de régularité spatiale et temporelle dans l'introduction de tous les composants du liquide. A cet effet, l'invention concerne un appareil de type statique destiné au mélange d'une matière de viscoSité élevée liqui de ou fondue par création de surfaces limites par répétition de la division du flux commun en flux distincts, déplacement des flux distincts et réunion de Ces flux distincts en un flux commun, cons- titué d 'une enveloppe tubulaire de section constante coopèrent sur sa longueur avec une série d'éléments mélangeurs fixes, caractérise en ce que chaque élément de mélange est constitué d'au moins deux t8les se croisant à l'horizontale et deux tales se croisant à la verticale, ces tolets, de préférence plates, étant reliées les unes aux autres ou se touchant en un point central situé sur 1 l'axe mé dian longitudinal, chaque tôle de déflexion faisant avec l'axe hori zontal ou avec l'axe vertical de la section de lwenveloppe tubulaire re et avec l'axe médian longitudinal un angle tel que la section rentrée et la section de sortie de l'enveloppe tubulaire soient sub- divisée en au moins huit canaux partiels séparés h peu près de la même taille qui, au moins d'un côté, communiquent avec un ou plu sieurs canaux partiels adjacents et sont chaque fois disposés en diagonale par rapport h la direction axiale de l'enveloppe tubulaire. Le tube creux peut avoir une section carrée et les tales de déflexion peuvent être reliées les unes aux autres par un cercle à proxrmité des sections d'entrée et de sortie. Il un mode avants- geux de réalisation de l'invention, le tube creux a une section ronde, les tôles de deilexion étant fixées dans des rainures ayant un tracé oblique dans le tube gueux. Les parois du tabe creux sont en relation avec un échangeur de chaleur pour obtenir une meilleure constante de la température, Les tales de déflexion suivant lin- mention ont avantageusement une longueur correspondant å i , 5 à 3 fois le diamètre du tube creux et une largeur égale à la moitié de la largeur du tube creux. On fait avancer la matière b mélanger grâce gr2ce b une différence de pression créée de ltextérieur entre l'entrée et la sortie du mélangeur ou h l'aide de pompes. lie mélangeur statique déprît ci-dessus soumet les composants à mélanger de la masse en écoulement, visqueuse, liquide ou fondue introduite dans le tube creux, b un processus dans lequel le courant laninaîre des composants est tout d'abord subdivisé en au moins huit courants partiels et ces courants partiels sont, aveo une diminution des épaisseurs de couches causée par la subdivision, guidés suivant des directions différentes le long des tôles de défie- xion. Alors, le courant partiel provenant d'un canal partiel quelconque peut déjà, suivant l'invention, etre transféré dans au moins sept autres canaux partiels séparés et être ainsi subdivisé en au moins sept autres courants partiels. Le nombre des couches ainsi créées par élément de mélange atteint au moins soixante quatre. Il est h noter que la déviation des huit courants partiels se fait en premier lieu le long des tôles de déflexion et que le transfert de chacun de ces courants partiels dans les sept autres canaux partiels séparés se fait avec une probabilité et une intensité un peu moindres que la dite déviation, de telle sorte que les soixante-quatre couches créées ont des épaisseurs différentes. Il y a donc suivantl'in- Invention une augmentation de la surface de contact des coudes qui permet d'atteindre avantageusement la vitesse de cisaillement mini male nécessaire pour obtenir un bon degré de répartition. À l'entrée des courants partiels dans le deuxième et dans chacun des éléments de mélange suivants, la masse à mélanger est de nouveau soumise au processus décrit ci-dessus. En raison du mode d'exécution suivant l'invention, les canaux partiels d'un élément de mélange situé en amont sont chaque fois subdivisés en deux canaux partiels par la disposition de l'élément de mélange situé en aval. Donc chaque canal séparé des éléments de mélange en aval est altnen- té par les courants partiels provenant d'au moins deux autres canaux partiels des éléments de mélange situés en amont, ce à quoi le nombre de couches est au moins multiplié par deux lors du pas- sage dans un élément de mélange suivant . Etant donné que, dans ',e plan limite situé entre deux éld- ments de mélange, ilexiste toujours la possibilité pour chacun des courants partiels de passer dans chacun des canaux partiels séparés de l'élément de mélange suiva:t, on parvient à un mélange transver- sal intensif qui améliore les échanges de chaleur au sein de la matière à mélanger.On obtient en outre un degré plus élevé de mélange mécanique. Eu raison de 1 importance du mélange transversal dans le processus, l'effet de mélange optimal est encore garanti, même lorsque l'introduction de tous les composants liquldes est soumise à des fluctuations dans le temps. Lorsque c'est le cas, on obtient malgré tout un mélange optimal car, à cause de la grande intensité du mélange transversal, une quantité plus importante d'additif introduite pendant une courte période se mélange très bien avec le composant principal. Le mélangeur suivant ltinvention travaille sans pièces tr- corporées mobiles et les tales de déflexion n'opposent qu'une fai- ble résistance à l'écoulement. Glace à cela, la contrainte thermique exercée sur la matière à mélanger par suite dtune dissipation d'énergie par friction ou par une vitesse de cisaillement supercritique est extrêmement faible. De même, la perte de charge reste faible sur toute la longueur du mélangeur à cause de la faible résistance à l'écoulement des tôles de déflexion.La disposition des tôles de déflexion suivant l'invention garantit que, mEme pour des substances à mélanger de haute viscosité, il n'existe pas dans le mélangeur de zones où la vitesse d'écoulement tende vers zéro et où la masse s'immobilise, ce qui pourrait conduite à des troubles du processus de mélange et/ou à une décomposition thermique du milieu. Pour cette raison, le mélangeur suivant l'invention nécessite peu d'entretien et il est dans une large mesure autonettoyant. Il est évident que les éléments de mélange suivant l'invention peuvent titre fabriqués avec de faibles dépenses de matière et de main d'oeuvre. La description se rapporte à des exemples de réalisation représentés aux dessins, dans lesquels : - la figure j est une vue en coupe longitudinale de 1 ensem- ble d'un mélangeur comportant 4 éléments de mélange statiques, et comprenant un échangeur de chaleur et des brides de raccordement, - la figure 2 est une vue en perspective de la disposition de 4 tôles de déflexion constituant un élément de mélange statique, - la ligure 3 est zone représentation schématiquement de la section d'entrée d'un élément de mélange dont les canaux partiels ont le tracé indiguc- figure 2 - la figure ; ;t représente schématiquement la section de sortie du même elément, - la figure 5 représente le tracé des canaux partiels dans le plan séparant deux éléments de mélange adjacents, - la figure 6 et la figure 7 représentent respectivement les sections d'entrée et de sortie d'un élément de mélange comporW tant un anneau de fixation des tôles, - la figure 8 représente un élément de mélange statique dont le tube extérieure a une section circulaire, - la figure 9 est une vue en coupe suivant la ligne A - A de la figure 8. La figure I représente un mode de réalisation possible d'un mélange statique constitué de quatre éléments de mélange 2, disposés l'un derrière l'autre dans un tube enveloppe 1. Les éléments de mélange 2 sont soudés à la paroi 12 du tube enveloppe, de préid- rence h l'entrée 19 et h la sortie 20 du mélangeur. Le mélangeur statique possède, h l'entrée et b la sortie, des brides 21 de raccordement à un autre appareillage quelconque. A l'entrée 19 du mélangeur, on introduit par exemple deux composants différents h mélanger qui, après réalisation du proces-. sus de mélange, réapparaissent à la sortie du mélangeur dans un débit commun. Le processus de mélange s'accomplit de l'entrée 19 à la sortie 20 du mélangeur. Le tube 1 est entouré d'un échangeur de chaleur 13 dans lequel le fluide caloporteur entre par l'arrivée 22 et dont il ressort par la sortie 23. Le transport de la matière h mélanger 14 par le mélangeur se fait à l'aide d'une pompe disposée en aval ou en amont ou à laide d'une perte de charge causée par tout autre moyen. La structure d'un élément de mélange est visible plus en détail sur la figure 2. Le tube enveloppe 1 a une section carrée. Chaque tôle de déflexion 3 est une tôle rectangulaire plate dune longueur que l'on peut déterminer librement en fonction de l'utili- sation du mélangeur et qui est de préférence de 1,5 à 3 fois le dia- mêtre du tube 1 et d'une largeur égale h la moitié de la largeur du tube 1. La disposition des tôles 3 dans le tube 1 est telle, que deux tales se croisent chaque fois l'une l'autre. Deux tôles d'une paire se croisent suivant un axe vertical 5 et les deux tôles de l'autre paire se croisent suS-an un axe horizontal 4.Ellesse touchent donc en un point central 11 ou on peut les souder ou les braser les unes aux autres. Pour augmenter la résistance de l'élément de mélange 2 on peut, comme :Ldiqué schématiquement sur les figures 6 et 7, rajouter à l'entrée 8 et à la sortie 9 un cercle 15 que leon soude ou que l'on brase sur les tôles 3. Comme on le voit sur a figure 2, deux des tôles 3 font un angle de 90o avec lZaxe horizontal 4 et les deux autres font un angle de 900 avec l'axe vertical 5 de la section du tube I Les quatre tôles 3 font toutes le meme angle avec l'axe longitudinal 6 (angle de croisement des paires de tôle3) de telle sortie que les sections d'entrée 8 et de sortie 9 sont subdivisées en canaux par tiels- séparés 10 de mime grandeur qui sont chaque fois délimités par la paroi du tube 1, les largeurs des tôles et les axes médians horizontaux et verticaux 4 et 5 de la section du tube 1. Les figures 3, 4 et 5 représentent schématiquement les sections d'entrée ô et 9 ainsi que le plan 17 séparent deux éléments de mélange adjacents. Les huit canaux partiels séparés 10 y sont représentés par des chiffres romaines de I à IàVIII. Le flux des composants qui entre (figure 3) dans la section d'entrée 8 est tout d'abord subdivisé par les canaux partiels sépa rés 10 en huit flux partiels. Les flux partiels I à VIII sont guidés le long des tôles de déflexion 3 en diagonale par rapport à l'axe médian 6 du tube t Jusqu'à ce qu'ils parviennent aux endroits représentés sur la figure 4 de la section de sortie 9 de l'élément de mélange. L'épaisseur de couche de la matière à mélanger est alors réduite. Comme il ressort aussi de la figure 2, chaque flux partiel séparé peut encore, avant d'arriver au point central 11, passer des canaux partiels séparés 10 ( I - VIII) dans chacun des sept autres canaux séparés 10 par dessus les arêtes longitudinales des tôles 3. Chaque flux partiel séparé est subdivisé en sept atres flux partiels, grace å quoi il y a création de so.izante quatre couches dans l'élément mélangeur 2. Comme il ressort de la figure 5, les huit canaux partiels séparés 10 du premier mélangeur 2 décrit ci-dessus sont de nouveau, au plan 17 séparant un élément mélangeur du suivant, séparés en deux canaux partiels séparés 10a d'une section inférieure égale à la moitié de celle des canaux 10. Chacun des canaux séparés 10a est donc alimenté par deux canaux séparés 10 en amont.Chacun des flur séparés provenant des canaux partiels séparés peut de nouveau, d'urne part entre guidé le long dee tales '4 de l'élément de mélange en a--al cornue décrit ci- dessus dans des directions différentes et peut d' autre part, avant de parvenir au point central 11, s'écouler ans cRracun des sept autres canaux partiels séparés 10. il est évident que, cause du processus de mélange que l'on vient de décrire, on obtient un mélange transversal intensif de la matière 9 mélanger, grâce b quoi l'on peut réaliser un degré de mélange mécanique poussé- et une transmission améliorée de la chaleur au sein de la matière à mélanger à cause du renforcement de la convection.Suivant la figure 5, le domaine des canaux sdpa- rés 10a V/VII, III/VI, II/VIII et I/IV du plan de séparation 17 est à qualifier comme un domaine de mélange transversal intensif, car l'écoulement de la matière à mélanger de l'un des canaux partiels séparés 10a dans chacun des sept autres canaux séparés 10 restants est particulièrement favorisé par la disposition géométrique des tôles de déflexion 3. Dans le mode de réalisation représenté dans les figures 9 et 8 de l'élément 2, le tube enveloppe 1 a une section restant oons- tante ronde. La forme, la taille et la disposition- des quatre tôles de déflexion 3 sont analogues à celle de la variante de la figure 2. les particularités de ce mode de réalisation résident dans le fait que le tube enveloppe 1 possède quatre rainures fraisés obliques 26 d'une largeur et d'une longueur correspondant à ltépaisseur et à la longueur des tôles de déflexion 3.Les rainures 26 sont fraisées de telle sorte que les tôles de déflexion 3 peuvent Outre enfoncées de l'extérieur dans le tube enveloppe 1 et que l'on obtient la même disposition que celle de la figure 2. L'avantage de ce mode de réalisation réside en ce que les tôles de déflexion 3 ainsi introduites dans le tube enveloppe 1 peuvent être soudées par un cordon de soudure 25 avec la surface extérieure du tube enveloppe 1 et que l'on nta ainsi plus besoin d'anneau 15 de fixation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENI CÂT IONS 10) Appareil mélangeur de type statique destiné au mélange dune matière de viscosité élevée,liquide ou fondue, par création de surfaces limites par répétition de la division du flux commun en flux distincts, déplacement des flux distincts et réunion de ces flux distincts en un flux commun, constitué d'une enveloppe tubulaire de section constante coopèrent sur sa longueur, une série d'éléments mélangeurs fixes, appareil caractérisé en ce que chaque élément de mélange (2) est constitué d'au moins deux tôles (3) se croisant à l'horizontale et deux tôles (3) se croisant à la verticale, ces tôles, de préférence plates, étant reliées les unes aux autres ou se touchant en un point central (11) situé sur l'axe médian longitudinal (6), chaque tôle de déflexion (3) faisant avec l'axe horizontal (4) ou avec l'axe vertical (5) de la section de l'enveloppe tubulaire et avec l'axe médian longitudinal (6) un angle tel que la section d'entrée (8) et la section de sortie (9) de l'enveloppe tubulaire( 1 )soient subdivisée en au moins huit canaux partiels séparés (10) à peu près de la mdme taille qui, au moins d'un côté, communiquent avec un ou plusieurs canaux partiels (10) adjacents et sont chaque fois disposés en diagonale par rapport à la direction axiale de l'enveloppe tubulaire (1). 20) Appareil mélangeur statique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire (1) a une section carrée et les tôles de déflexion (3) sont reliées les unes aux autres par un cercle (15) à proximité des sections d'entrée (8) et de sortie (9). 30) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire (1) a une section ronde et les tôles de déflexion (3) sont fixées dans des rainures (26) tracées en biais dans enveloppe tubulaire (1)3 40) Appareil suivant lune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les parois de l'enveloppe tubulaire (1) sont entourées d'un échangeur de chaleur. 50) Appareil suivant i lune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tôles de déflexion (3) ont une lon- tueur égale å environ 1,5 à 3 fois le diamètre de 1 'enveloppe tubu, laire et une largeur égale à la moitié de la largeur de l'enveloppe tubulaire.