Brevet FR2382273A1 — publié le 19780929

un La présente invention se rapporte à/dispositi! compact as -surant la separation de deux phases initialement intimement me- -langées, en imprimant à l'ensemble de ces phases un mouvement' tourbillonnaire spécifique. L'appareil, qui est de volume relativement réduit et qui ne comporte aucune pièce en mouvement, peut fonctionner en séparateur: - Gaz - Solide (dépoussiérage de courants vapeurs ou gazeux) - Gaz - Liquide (dévésiculage de courants vapeurs ou gazeux) - Gaz - Liquide + Solide (dégazage d'une suspension) - Liquide - Solide (clarification de liquides) - liquide - Liquide (décantation accélérée) - Liquide - Liquide + Solide (débourbage) Afin de simplifier l'exposé, nous ne traiterons que des séparations gaz/liquide ou gaz/solides qui sont parmi les plus délicates. I1 n'en demeure pas moins que les principes généraux utilisés ici s'appliquent aux séparations de deux phases de densités différentes et que l'invention ici proposée permet tout aussi bien d'effectuer des séparations: gaz - liquide + solide, liquide - solide, liquide - liquide, liquide - liquide + solides. Deux types fondamentaux d'appareils statiques, séparant une phase liquide ou solide d'un gaz au moyen de la force centrifuge, sont actuellement connus: Le premier type est dit: "aubes radiales". Le mélange des deux phases pénètre verticalement de haut en bas au centre du séparateur par une chambre de stabilisation, il en sort radialement par des busas fo-mees à partir de fentes verticales ménagées dans la paroi de la chambre. Un déflecteur extérieur puis un jeu d'aubes impriment au mé- -lange un mouvement de rotation tangentiel à la paroi cylindrique intérieure de l'appareil. la séparation se produit sous l'action de la force centrifuge lorsque le mélange s'écoule en spirale autour de la paroi périphérique. La phase légère (gaz) docte et sort a la partie supérieure de l'appareil tandis mue la phase lourde (liquide et/ou solide) s'écoule en spirale vers le fond. Ce type de séparateur occasionne une forte perte de turbulence due à des discontinuités importantes dans les lignes d'écoulement du mélange sur les aubes. D'autre part, la phase gazeuse n'est pas aisément déviée horizontalement par l'intermédiaire des buses, d'où il en résulte l'entraînement d'un fort pourcentage de liquide ou de solide. En outre dans cas de séparations gaz/solide, pour la récupération de poussières recyclables, l'emploi de telles aubes directrices n'est pas judicieux. En effet la structure granulométrique des particules solides se trouve modifiée lors de ieur impact avec les aubes directrices, en particulier sur le bord d'attaque de ces dernières, Ce broyage par attrition réduit la taille moyanne des poussiè -res augmentant le pourcentage de fines qui deviennnt encore plus difficiles à séparer et peuvent acquérir ainsi des caractéristiques physiques rendant leur recyclage impossible. Enfin certaines sortes de poussières risquent de s'agglomérer et de colmater le système formé par les buses et les aubes déflectrices. Le deuxième type, couramment appelé "hydrocyclone" reçoit latéralement le mélange des deux phases gazeuse et liquide ou solide, tangentiellement à l'intérieur de l'enceinte cylindroconique extérieure de l'appareil. Cette paroi dévire le jet entrant en lui imprimant un mouvement tourbillonnaire.Sous l'action de la force centrifuge ainsi créée, la phase lourde (liquide ou solide) se rassemble à la périphérie et stécoule en spirale vers le bas de 11 appareil, alors que la phase légère (gaz) se regroupe vers l'axe de l'appareil en un noyeau tourbillonnaire qui s'échappe en haut du séparateur, par un orifice habituellement ménagé à la partie c supérieure du noyeau central gazeux. L'efficaité de la séparation alnsi réalisée est fréquemment insuffisante du fait: soit de la détente brutale à 11 entrée dans l'appareil qui pulvérise la phase liquide ou disperse les particules solides, rendant plus difficile leur rassemblement ultérieur lors de séparation de la phase gazeuse. soit d'une vitesse de rotation trop faible n'engendrant qu'une force centrifuge réduite par suite de la mise en rotation du mélange sur l'enveloppe de plus grand rayon de l'appareil. soit encore d'un réentrainement de la phase lourde par la phase légère au cours des frottements entre ces deux phases qui s'écoulent à des vitesses et selon des trajectoires différentes apurés la séparation. Certaines modifications comme l'emploi d'un courant gazeux auxiliaire convenablement orienté ou l'utilisation d'un corps mort, central spécialement profilé, améliorent les performances de l'appareil mais créent des complications qui ne sont pas sans inconvénient: tant sur le plan de la sécurité ( dans le cas de la nécessité du maintien d'une atmosphère inerte,) que sur celui du coût (investissement, maintenance, consommstion accrus). En ce qui concerne les séparation liquide - gaz qui sont parmi les plus délicates, une autre technique est encore couramment utilisée dans l'industrie à l'heure actuelle: Au lieu d'améliorer la séparation, en augmentant au moyen de la force centrifuge l'accélération à laquelle sont soumises les deux phases, on les laisse sédimenter sous l'action de la simple gravité dans des appareils "statiques de sédimantation", il convient alors de reluire suffisamment les vitesses de déplacereat des deux phases A l'intérieur de 11 appareil, ce qui conduit à des appareils de conception et de construction simples ais d'un encombrement prohibitif. Dans tous les cas où la force centrifuge est l'agent de séparation, ai l'on se fixe une vitesse linéaire d'entrée des composants dans l'appareil (alimentation imposée par le procédé générateur du mélange à séparer): la force centrifuge sera directement proportionnelle au carré de cette vitesse et inversement proportionnelle au rayon de la trajectoire circulaire décrite par le mélange dans l'appareil.Pour augmenter l'efficacité de la force séparatrice on peut: soit augmenter la vitesse linéaire des phases à l'intérieur de l'appareil; mais ceci se fera au prix d'un accroissement important de la perte de charge introduite par l'appareil, laquelle devra titre vaincue par l'emploi d'un accélérateur ou d'un ventilateur supplisentalre. soit réduire le rayon de giration des deux phases mises en rotation à l'intérieur de l'appareil, sans engendrer une perte de charge supérieure à celle des-appareils conventionnels. L'invention ici proposée, du type séparateur centrifuge, satisfait aux critères de qualité dégagés par la précédente analyse critique et présente donc, à encombrement égal,un gain d'efficacité par rapport aux séparateurs centifuges produits jusqu' ici. D'une autre facon, ntoccupant qu'un volume relativement réduit, l'appareil ici présenté conduit à un gain d'encombrement par rapport aux appareils statiques de sédimentation d'efficacité comparable. Le dispositif centrifuge selon la présente invention permet d'augmenter l'efficacité de la séparation tout en évitant les inconvénients précités en utilisant un rayon de giration aussi réduit que possible au début de la séparation. Au cours de cette phase de ségrégation, Il est intéressant de commencer à diriger vers le bas la phase lourde liquide et/ou solide qui sera ultérieurement évacuée de l'appareil par gravité. C1 est ce qui est mis en pratique dans ltune des formes de réalisation préférée de l'invention, où le tourbillon séparateur est d'abord dirigé vers le bas. Tout au long de la séparation, il est intéressant de conserver l'intensité de la force séparatrice, i.e: garder sensiblement la vitesse angulaire de la phase légère, tout en éloignant dans ltespace les deux phases l'une de l'autre: Ceci est obtenu en effectuant une détente de la phase gazeuse tout en canalisant la phase lourde, liquide ou solide, à la périphérie de la chambre de détente. De plus cette détente est effectuée de façon progressive pour ne pas engendrer de mouvements tourbillon -maires parasites remélangeant les phases et introduisant des pertes de charge d'accidents supplémentaires.Ce double but est atteint dans l'invention proposée: pour la phase légère, en offrant un volume régulièrement croissant à occuper par cette dernière. Ceci est plus particulièrement obtenu par un accroissement progressif, suivant la trajectoire du tourbillon séparateur, de la section droite de la zoné de ltespace où se produit le tourbillon - détente. pour la phase lourde, par un accroissement régulier du rayon de la trajectoire hélicoSdale introduisant une surface guide de développement progressivement croissant. Aprés la séparation proprement dite, afin d'éviter tout réentrainement de la phase légère il est encore intéressant: d'évacuer la phase légère hors de l'appareil sans la réaccélérer, en l'acheminant vers une sortie aussi largement dimensionnée que possible. C'est ce qui est réalisé dans l'appareil proposé dont la sortie de la phase légère peut btrë du diamètre maximal de l'appareil. de regrouper la phase lourde, avant son évacuation dans une zone de l'appareil n'offrant qutune faible surface de contact avec la phase légère alors que cette dernière est ralentie. Ceci est assuré, dans l'une des formes préférées de l'invention, par une réductionconique du fond de l'appareil débouchant sur une tubulure de vidange située au point bas. Cette sortie peut autre équipée d'un croisillon anti - vortex dans le cas où la phase lourde est un liquide ou une suspension liquide. L'invention concerne un séparateur centrifuge ou la centrifugation est effectuée dans une chambre de détente progressive. En se référant aux dessins schématiques annexés on va décrire plus en détail la construction et le mode de fonctionnement de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs du dispositif conforme à l'invention: Une des nouveautés consiste à faire tourner le mélange des deux phases à séparer aussi vite que possible, lors de son admission dans ltapparehl, par mise en rotation à l'intérieur d'une enceinte de diamètre réduit (I). L'alimentation se fait latéralement par un piquage tangentiel (2) debouchant intérieurement à l'extrémité, fermée par un flasque (3) d'une chambre du détente (4). La canalisation d'arrivée (2) du mélange des deux phases à séparer sera de préférence aplatie de façon à ce que sa section droite présente sa plus grande dimension parallèlement à ltaxe de la chambre de détente. En rapprochant ainsi les éléments Ces deux phases dans la dimensIon où se produira ultérieurement la ségrégation, on exploite au mieux la séparation centrifuge radiale qui s'effectuera perpendiculairement à l'axe du tourbillon. On peut aussi, dans certains cas difficiles, faire précéder l'entrée tangentielle dans la chambre de détente d'une ise en rotation du mélange à séparer.Ceci est obtenu par un enroulement de la canalisation d'alimentation, centré sur l'axe de la chambre de détente = soit dans un même plan, selon une spirale centripète (I3) soit selon un solénoïde (14) Ceci étant réalisé en conservant la section droite de cette canalisation constante ou bien en la faisant croftre régulièrement On bénéficie alors d'une précentrifugation qui commence la séparation. - De même il peut être intéressant, dans la zone d'admission du mélange à séparer, de disposer un corps mort profilé (5), de forme allongée, dans l'axe du flasque (3) obturant la partie restreinte de la chambre de détente, afin d'assurepGn meilleur guidage de l'écoulement giratoire au début de la mise en rotation, Une autre mouveauté consite à détendre progressivement la phase légère dès son introduction, au fur et à mesure de la progression au sein de l'appareil. Pour cela la chambre de séparation (4), sensiblement conlque, présente une section droite croissant régulièrement au fur et à mesure qu'on se déplace le long de son axe. - De préférence la chambre de détente est dirigée vers le bas.De même, il peut être intéressant, dans le cas de séparations gaz liquide par exemple, de guider la phase lourde drainée la périphérie par la force centrifuge. Pour cela la paroi interne de la chambre de détente tourbillonnaire peut avoir un profil hélicoïdal (rainure ou rampe - 6), de pas constant ou croissant, dans le sens de rotation Imposé par l'inJection tangentielle du mélange. Une autre nouveauté est présentée par la façon dont la phase lourde est recueillie après séparation : La partie la plus large de la chambre de séparation - détente est ouverte et son bord, retourné vers l'intérieur, forme une auge (7) qui recueille la phase lourde et l'envoie vers la sortie réservée au liquide ou aux particules solides. Ce transfert est assuré par un appendice (8), greffé tangentiellement sur l'auge collectrice, ayant la forme soit dune gouttière ou d'un tube ou soit encore d'une volute raccordée tangentiellement à 11 enveloppe externe de l'appareil. La phase lourde peut aussi être évacuée directement par une tubulure (9) prolongeant l'appendice précité. Elle peut être aussi rassemblée à la partie basse de l'appareil dans une zone (IO) n'offrant qu'une faible surface de contact avec la phase légère afin d'éviter toute possibilité de réentrainement. Un autre point intéressant est apporté par le large dimensionnement de la sortie réservée à la phase légère. En effet à son extrémité évasée, la chambre de détente tourbillonnaire présente une grande ouverture (II), ceinturée par le rebord (7) précité; par laquelle s'échappe la phase légère qui s'achemine vers la sortie (I2) rsservée aux gaz ou aux vapeurs. Gracie à la conception du séparateur de l'invention cet orifice dtéchappement peut avoir comme diamètre la plus grande dimension de l'appareil. Une autre forme préférée de l'invention est illustrée, d'une façon non limitative, par les Fig 7a et 7b auxquelles nous nous referons ci dessous: Dans le but de simplifier la construction de l'appareil, on peut réduire au maximum le développement axial de la chambre de détente tourbillonnaire (4). Cette dernière prend donc alors la forme d'une spirale plane (4), formée par l'enroulement d'une canalisation aplatie, dont la plus grande dimension de la section droite est perpendiculaire au plan de la spirale; de plus cette section droits est tout d'abord constante dans la partie centrale puis croit régulièrement. Le mélange à séparer est injecté au centre, la où rayon de courbure des spires est le plus petit, donc la vitesse angulaire la plus élevée. La section droite de la canalisation oflerte à la circulation du mélange est tout d'abord conservée constante sur quelques tours de façon à imprimer au mélange le mouvement tournant nécéssaire à son introduction dans la chambre de détente proprement dite; cette dernière est constituée par le prolongement, dans le mgme plan, de la spirale précitée mais cette fois ci avec un accroissement régulier de la section droite de la canalisation où circulent les phases à séparer.La dernière spire extérieure est ouverte en un biseau (8), bordé vers l'interieur en haut et en bas (7), et raccordé tangentiellement à la paroi interne (I0) de l'enveloppe générale de l'appareil: La phase lourde circulant à la périphérie est drainée par cette enveloppe externe vers le fond de l'appareil où une sortie (9) lui est réservée. La phase légère stéchappant de la spire ouverte (II), s'achemine vers la sortie (I2), largement dimensionnée, ménagée dans le flasque fermant l'enveloppe genérale du séparateur en partie haute. Sous cette forme différente, le séparateur reste toujours conforme à l'invention. I1 utilise en effet:: l'action de la force centrifuge, avec une vitesse de rotation initiale la plus élevée qu'il soit possible d'atteindre à partir de la vitesse linéaire donnée du mélange à séparer l'effet d'une détente progressive du mélange au fur et à mesure de sa progression au travers de l'appareil la mise en oeuvre d'une volutes bordée vers l'intérieur pour recueillir la phase lourde un large dimensionnement de la sortie réservée à la phase légère, puisque sa section peut être celle de la plus grande section droite de l'appareil. Le dispositif, objet de l'invention, peut autre utilisé dans tous les cas où il convient de séparer: - Un gaz d'un solide - par exemple dépoussiérage ae courants Tapeurs au gazeux en sortie d'appareils de broyage, d'atomisation, de prilling, de séchage fluidisé, de transfert pneumatique etc... - Un gaz d'un liquide. Par exemple dévésiculage de courants vapeurs ou gazeux en sortie de concentreurs instantannés, d'évaporateurs flash, de chaudières de distillation (Ex: vapeur d'eau), des respirations des réacteurs de l'industrie chimique où un courant gazeux barbote ou se dégage au sein d'un liquide, en sortie de colonnes ou de venturis de lavages liquide de courants gazeux etc... - Un gaz d'une suspension liquide de solides par exemple en sortie d'un réacteur où l'on dégaze une suspension: cas de la récupération d'un excès réactif gazeux s'échappant d'une masse réactionnelle liquide contenant un catalyseur solide en suspension. - Un liquide d'un solide par exemple récuperation de résines échangeuses d'ions en sortie de colonnes; épaississement de boues activées en sortie de stations de traitement d'eaux usées, clarification d'effluents liquides d'unités de production chimique etc... - Un liquide d'un liquide par exemple accèlération des décanta- -tions intermédiaires dans les processus dtextration liquide liquide, à simple ou multiple étages, séparation des deux phases d'un hétéroazéotrope, d'eau et ae pétrole(lutte anti - pollution) - Un liquide d'un mélange liquide - solide par exemple clarifica -tion - débourbage d'une phase liquide lors de l'extraction de moûts de fermentation , débourbage d'effluents liquides sortants d'un atelier de fabrication de produits chimiques - ou nnité de traitement des fumées d'un four d'incinération etc... Cet appareil peut store utilisé au laboratoire, à l'échelle pilote et dans les installations industrielles de gros tonnage aussi bien dans le domaine chimique (synthèse organique et Minérale), biochimique (fermentation - extration - régénération de solvants) alimentaire (distillation, concentration, gazéification, dégazage) ou bien encore dans les traitements de la pollution en phases liquides ou gazeuses. REVENDICATIONS (i) Dispositif sans pièce en mouvement permettant de séparer dejx phases primitivement intimement mélangées soit ga/solide, soit gaz/liquide soit gaz/solides + liquide, soit liquide/solide soit liquide/liquide ou soit encore liquide/liquide + solide, en les soumettant à l'action de la force centrifuge caractérisé par les faits suivants: d'une part le mélange arrivant est introduit dans une chambre dont la géométrie est telle qu'une mise en rotation la plus rapide possible des deux phases alimentaires est obtenue et qu'une détente progressive est assurée. d'autre part les phénomènes physiques de détente et de rotation sont conservés tout au long de la séparation. enfin cette chambre est située à l'intérieur d'une enceinte générale ayant deux sorties, celle qui est réservée à la phase légère pouvant avoir la dimension de la plus grande section droite de l'appareil. (2) Dispositif selon la revendication (I), caractérisé par le fait que la chambre de détente tourbillonnaire est de forme sensiblement tronconique, fermée à l'extrémite étroite par un flasque, et présente une large ouverture axiale à sa partie la plus évasée (3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la paroi interne de la chambre de détente tourbillonnaire est lisse ou mieux a un profil hélicoïdal (rainure ou rampe) de pas constant ou régulièrement croissant, tournant dans le sens de rotation imposé par l'arrivée tangentielle du mélange à séparer (4) Dispositif selon l'une quelconque des trois premières revendications, caractérisé par le fait que la chambre de détente tourbillonnaire est d'axe vertical et de section droite croissant régulièrement dans le sens de la progression du flux qui y circule (5) Dispositflf selon l'une quelconque des quatre premières revendications, caractérisé par le fait que le mélange à séparer est introduit latéralement et tangentiellement à l'intérieur de la chambre de détente tourbillonnaire, à son extrémité restreinta, par une canalisation aplatie dont la section droite, constante ou régulièrement croissante, a sa plus grande dimension parallèle à l'axe de la chambre. (8) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la canalisation d'alimentation est rectiligne ou mieux enroulée sur elle mtme en une spirale centripète plane ou en hélice de rayon constant ou croissant régulièrement. (7) Dispositif selon Itune quelconque des trois premières revendications caractérisé par le fait que: la phase lourde est recueillie par une auge interne ceinturant l'ouverture présentée par la chambre de détente à son extrémité la plus évasée, alors que la phase légère stéchappe par l'ouverture centrale. (s) Dispositif selon la revendication (i), caractérisé par le fait que la chambre de détente tourbillonnaire est formée par l'enroulement en spirale d'une canalisation aplatie dont la section droite, qui présent sa plus grande dimension perpendiculairement au plan de la spirale, reste constante dans la partie centrale, puis croit régulièrement.Les deux constituants arrivent mélangés au centre et sortent séparément par l'ouverture en biseau de la dernière spire externe; la phase lourde étant drainée à la périphérie alors que la plus légère stécoule plus près du centre, (9) Dispositif selon les revendicationst7 et 8) caractérisé par le fait que la phase lourde est évacuée par un appendice, greffé tangentiellement sur l'auge collectrice, qui a la forme soit d'un tube ou dtune gouttière ouverte soit dtune volute raccordée tangen -tiellement à l'enveloppe externe de l'appareil. (I0) Dispositif selon lune quelconque des 9 premières revendications, caracterisé par le fait que la surface de contact entre les deux phases, une fois la séparation effectuée, est aussi réduite que possible et est située dans une zone où les vitesses d'écoulement des deux phases sont les plus faibles.