Brevet FR2460717A1 — publié le 19810130

L'invention concerne une centrifugeuse à vis à bol plein, en particulier pour la séparation continue de mélanges d'eau et de boue, comportant une enveloppe approxi- mativement cylindrique rétrécie coniquement en direction de la sortie de matière, une vis de forme cylindrique conique disposée coaxialement dans l'enveloppe, une arrivée de sus- pension et un entraînement adjoint à l'enveloppe et à la vis. Dans les centrifugeuses à vis à bol plein de la catégorie mentionnée, o l'enveloppe et la vis exécutent un mouvement de rotation dans le même sens mais à des vitesses différentes, la suspension à traiter est introduite par l'ar- rivée de suspension dans une chambre annulaire délimitée entre le côté intérieur de l'enveloppe et la vis et elle y est séparée sous l'action d'un champ de gravité artificiel avec formation, à la surface intérieure de l'enveloppe, d'une couche de solide qui se sépare du liquide. Le liquide est acheminé à l'extérieur à travers une ouverture d'évacuation de liquide tandis que la couche de solide est transportée, par la vis tournant à une vitesse de rotation différente de celle de l'enveloppe, vers la sortie de solides rétrécie coniquement de l'enveloppe et est finalement éjectée à l'ex- trémité de la partie conique de l'enveloppe. Dans la déshydratation de boues, il se produit des difficultés en particulier lorsque les solides sont très fins et/ou lorsque la différence entre leur densité et celle de l'eau est très petite. Il est alors particulièrement dif- ticile d'extraire les fractions solides de la boue, épaissies dans la centrifugeuse, en les faisant passer par la région ascendante de l'enveloppe conique. Les difficultés résident dans le fait que, sous l'action de grandes forces centri- fuges, les solides ont une tendance notable à refluer en direction de la partie cylindrique de l'enveloppe. C'est pourquoi, comme on peut le voir par exem- ple dans les demandes de brevet (premiers fascicules publiés.) de la R.F. A. Nos 1.532.678 et 2.612.696, on a déjà disposé un disque radial ou une chicane sur le corps de la vis dans la région de la transition de la partie cylindrique à la partie conique de l'enveloppe pour favoriser ainsi le trans- port vers la partie conique. Etant donné que dans un certain nombre de cas cette mesure ne suffit pas à elle seule pour garantir une extraction sure des solides en grains fins, on a déjà essayé aussi de favoriser le transport des solides dans la partie conique de l'enveloppe de la centrifugeuse en élevant le niveau de liquide. Toutefois, l'inconvénient de cette mesure est que la proportion de liquide extraite avec le solide est relativement grande et qu'ainsi l'effet de déshydratation est relativement mauvais. Dans l'ensemble, l'inconvénient des mesures connues et des appareils connus est que, lorsque les conditions de fonctionnement varient, l'effet d'épaississe- ment ou bien l'effet de clarification sont influencés néga- tivement. Cela étant, l'invention a pour but de fournir un appareil qui assure un maximum d'épaississement et en même temps un maximum de clarification. Il faut aussi que ce résultat soit obtenu de façon constante et reproductible, même lorsque les conditions de fonctionnement varient. Ce problème est résolu selon la présente inven- tion par la combinaison des points suivants: a) au moins une ouverture d'évacuation de liqui- de est prévue, en direction axiale, entre l'arrivée de sus- pension et l'extraction de solide, b) entre une ouverture d'évacuation de liquide et l'extraction de solide est prévu un rétrécissement de section transversale, par exemple un-disque disposé radialement qui se termine extérieurement à une certaine distance du côté intérieur de l'enveloppe, c) un dispositif est prévu pour la commande et/ou la régulation de la différence entre la vitesse de rotation de l'enveloppe et celle de la vis et/ou de la quan- tité de solide amenée à la centrifugeuse par unité de temps, en fonction d'un paramètre de fonctionnement, par exemple du couple de la vis et/ou de la teneur en solide dans 2 2460718 récipient et.le retrait de ses différents constituants à la suite de leur séparation par centrifugation. La section de la deuxième partie en spirale du récipient est pratiquement égale au quart de la section de la première partie dudit récipient, ceci afin d'obtenir une vitesse d'écoulement plus élevée dans la partie en spirale du récipient. Le récipient de fluide et les raccordements peuvent être fabriqués en chlorure de polyvinyl de qualité médicale. La section de la deuxième partie en spirale est plus profonde que celle de la première partie, et inversement, la largeur de la deuxième partie du canal est inférieure à celle de la première partie. Dans une autre réalisation de la présente invention, l'ensemble rotor complet est réalisé en une seule pièce par moulage en fonderie et/ou usinage, un canal tel que celui décrit ci-dessus etant ménagé dans le rotor. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un bol centrifugeur, d'un élément central ou de remplissage et d'un récipient réalisés selon une forme préférée de la présente invention. La Fig. 2 est une vue en-plan schématique de l'élément de remplissage représenté à la Fig. 1. La Fig. 3 est une vue en coupe de l'élément de remplissage de la Fig. 2 prise selon la ligne 3-3. La Fig. 4 est une vue en coupe partielle d'un ensemble centrifugeur utilisant un rotor monobloc selon une autre réalisation préférée de la présente invention. La Fig. 5A est une vue en plan éclatée du bloc d'extrémité du canal dans lequel o sont raccordées les divers tubes d'entrée et de sortie. La Fig. 5B est une vue éclatée du bloc représenté à la Fig. 5A. Dans tous les dessins, les mêmes références caractérisent les mêmes éléments. En se reportant aux dessins, on voit que la Fig. 1 représente un bol centrifugeur 1 agencé pour être entraîné en rotation autour d'un axe par un moyen approprié non représenté étant donné que ledit moyen d'entraînement en rotation n'entre pas dans le cadre de la présente invention. Le bol peut être fabriqué en n'importe quel matériau appro- prié tel que du métal ou de la matière plastique ou avec une combinaison débitmètres qui déterminent la quantité ët/ou la teneur en solide dans l'une des extractions, convertissent les valeurs déterminées en signaux électriques, et appliquent ceux-ci au dispositif de commande et/ou de régulation. L'invention est expliquée plus précisément ci- après en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 montre en coupe une centrifugeuse à vis à bol plein selon l'invention; et la figure 2 est un schéma par blocs de la centrifugeuse de la figure 1, munie d'un dispositif de com- mande et/ou de régulation de la vitesse de rotation de l'enveloppe et de celle de la vis et/ou de la quantité de suspension amenée à la centrifugeuse par unité de temps. Comme le montre la figure 1, la centrifugeuse à vis à bol plein comprend une partie cylindrique d'enveloppe 1 à laquelle se raccorde une partie conique d'enveloppe 2. Dans cette enveloppe 1, 2, est disposée de manière à pouvoir tour- ner, coaxialement à l'enveloppe avec un petit espacement, une vis qui se compose d'un corps creux 3 et d'un filet 4 dispo- sé à l'extérieur du corps de vis. Du côté droit de la centri- fugeuse représente sont prévus, pour l'amenée du mélange de solide et de liquide à séparer, un tuyau d'amenée 51 et un tube 5 traversant coaxialement l'arbre creux 6 accouplé au corps de vis 3. Pour que le liquide puisse sortir de la région de clarification, le corps de vis présente extérieure- ment des ouvertures d'évacuation 14, 16 sous forme de canaux 7, 7', parallèles à l'axe tandis que pour l'extraction du solide, des ouvertures 8 sont Prévues dans la région termi- nale de l'enveloppe conique. Le corps de vis 3 est fermé du côté frontal, à l'extrémité située vers l'entraînement, par une plaque de fermeture 9 entre deux anneaux 10 formant un joint à labyrinthe. Le liquide clarifié séparé est évacué vers l'extérieur par des ouvertures 12. Sur le corps de vis 3 est disposé, dans la région de transition entre la partie cylindrique 1 et la par- tie conique 2, un disque radial 13 dont la périphérie est à une certaine distance de l'intérieur de l'enveloppe 1, 2. Les ouvertures d'évacuation de liquide 14, 16, prévues entre l'arrivée de suspension 15 et l'extraction de solide 8 quand la centrifugeuse fonctionne à courant direct, se trouvent entre le disque 13 et l'arrivée de suspension 15. La partie cylindrique 1 de l'enveloppe est équipée, du côté frontal, d'une plaque de fermeture 17 et reliée solidairement au tube d'axe 18, lui-même monté de manière à pouvoir tourner dans la disposition de palier 19. Le tube d'axe 18 est équipé d'une poulie d'entraînement 20 entraînée de manière en elle- même connue, par l'intermédiaire d'une transmission à cour- roie trapêzoîdale 21, par le bloc d'entraînement 22 indiqué de façon purement schématique. On a désigné par 23 un autre bloc d'entraînement qui, par l'intermédiaire de la trans- mission à courroie trapézoîdale 24 indiquée de façon purement schématique, entraîne la poulie 25, également montée de manière à pouvoir tourner et solidaire du corps de vis 3, et donc aussi le corps de vis 3. La figure 2 montre la centrifugeuse à vis à bol plein 30 munie de l'extraction de solide 8 et de l'évacuation de liquide clarifié 31. Comme on l'a décrit plus haut à pro- pos de la figure 1, l'entraînement de la centrifugeuse à vis à bol plein comprend les poulies 20 et 25 et les transmis- sions à courroie trapézoïdale correspondantes 21 et 24 ainsi que les deux blocs d'entraînement 22 et 23. Ceux-ci sont adjoints à un différentiel 32 entraîné par le moteur 33. Le différentiel 32 est en mesure de régler différemment les vitesses différentielles de rotation de l'enveloppe 1, 2 et du corps de vis 3. Le réglage s'effectue de façon connue de l'homme du métier, par exemple par des moyens électriques hydrauliques ou mécaniques, et c'est pourquoi on ne l'a pas représenté fonctionnellement ni concrètement en détail mais il est seulement indiqué par le dispositif de réglage 34. La vitesse de rotation du moteur 33 est généralement cons- tante mais elle peut aussi être réglable de façon continue ou discontinue. Le régulateur également est seulement indi- qué schématiquement par l'organe régulateur correspondant 35. En outre, le tube d'entrée 5 destiné au mélange de boue et d'eau à séparer est équipé d'un dispositif, par exemple d'un organe d'étranglement 36, 37, qui permet de régler la quantité de solide et/ou de suspension qui arrive. A l'évacuation 8 destinée au solide est prévu un tube 39 équipé d'un dispositif de mesure 40 qui détermine la quantité et/ou la teneur en solide de la boue épaissie évacuée et convertit la valeur déterminée en un signal électrique. Ce signal électrique est appliqué par la ligne de commande 41 à une unité de commande et de calcul 42, 48. En outre, le différentiel 32 est équipé d'un dispositif 43 pour la déter- maination du couple du corps de vis 3. Ce dispositif 43 con- vertit la valeur déterminée du couple en signaux électriques proportionnels au couple et applique ceux-ci, par la ligne de commande 44, également à l'unité de calcul 42, 48. Cette dernière calcule - de manière en elle-même connue - sur la base de relations prescrites les grandeurs réglantes de la vitesse de rotation de l'enveloppe 1 et de la différence de rotation entre l'enveloppe 1 et le corps de vis 3 de la centrifugeuse à vis à bol plein et transmet ces valeurs, par la ligne de commande 47, à l'organe de réglage 34 du diffé- rentiel 32. Pour le cas o la valeur de réglage arrive dans des gammes limites, on a prévu en outre d'autres possibilités de régulation, consistant par exemple à faire varier la quantité de suspension amenée par unité de temps ou à faire varier la vitesse de rotation du moteur 33. L'appareil représenté par les figures 1 et 2 fonctionne comme suit: Une fois que le moteur 33 a été mis en marche, la centrifugeuse 30 est mise en rotation. L'entraînement, qui comprend le différentiel 32 avec les deux poulies 22, 23 et les transmissions à courroie 21, 24, ainsi que les poulies d'entraînement 20, 25 et qui entraîne à des vitesses diffé- rentes le tambour 1, 2 et le corps de vis 3, est conçu de telle sorte que l'on arrive tout d'abord, à une vitesse de rotation choisie à l'avance et à une différence de vitesses de rotation choisie à l'avance entre les deux corps tour- nants de la centrifugeuse. Ensuite, on ouvre l'organe d'étran- glement 36 et la suspension contenant un mélange de liquide et de solides entre dans la centrifugeuse par l'arrivée 51, 5, 15. Du solide est projeté vers l'extérieur et il s'accumule une couche de solide sur la paroi intérieure de l'enveloppe 1, 2 de la centrifugeuse. Etant donné l'effet de transport du corps de vis 3, qui tourne à une vitesse différente de celle de l'enveloppe, la couche de solide est continuellement transportée, le long de la paroi intérieure de l'enveloppe, en direction de l'extraction de solide 8. Comme les ouver- tures d'évacuation de liquide 14, 16 sont disposées entre l'entrée de suspension 15 et l'extraction de solide 8, la centrifugeuse fonctionne à courant direct. Lorsqu'il est transporté en direction de l'extraction 8, le solide passe par l'espacement annulaire entre le disque radial 13 et l'intérieur de l'enveloppe 1, 2 et, en cet endroit, le solide est forcé de prendre une épaisseur radiale apparente minimale. Le liquide clarifié s'écoule encore, devant le disque de retenue 13, par des ouvertures à liquide 14, 16 et- les canaux 7, 7' et est extrait par les ouvertures 12. Le solide est transporté par le filet 4 dans la partie conique 2 de la centrifugeuse en direction de l'extraction 8 et il est également extrait. Ensuite, le solide extrait arrive dans le tube 39 et sa quantité et/ou sa teneur en solides sont con- trôlées par le dispositif de mesure 40. Le couple du corps de vis 3 est déterminé à l'aide du dispositif de mesure 43 adjoint au différentiel 32 et cette valeur mesurée est transmise à l'unité de calcul 42, 48, qui constitue une partie essentielle du dispositif de commande et/ou de régulation des vitesses de rotation du tambour 1, 2 et du corps de vis 3. Ce dispositif fonctionne de telle sorte que lorsque le couple est faible (ce qui indique une faible teneur en solide ou un faible degré d'épaississement dans l'extraction de solide) la vitesse de rotation du corps de vis 3 diminue par rapport à celle de l'enveloppe 1, 2, autte- ment dit que la "vitesse différentielle" s'abaisse. La dimi- nution de la vitesse différentielle peut aller jusqu'à une limite prescrite. Si, la limite prescrite étant atteinte, une augmentation suffisante du couple du corps de vis 3 n'est pas atteinte, le dispositif de commande et/ou de régulation 42, 48 augmente les vitesses de rotation absolues des deux corps tournants en maintenant la vitesse de rotation différentielle par exemple en augmentant de façon continue ou discontinue la vitesse d'entraînement du moteur 33 à l'aide d'une impulsion de commande qui est appliquée, par la ligne de commande 46, à l'organe de réglage 35 du moteur 33. En outre, en pareil cas, le dispositif 42, 48, peut ouvrir davantage l'afflux de la suspension par le tube d'arrivée 5 à l'entrée de suspension 15, à l'aide de la ligne de commande 49 qui agit sur l'organe de réglage 37 de l'organe d'étranglement 36. Par suite, la quantité de solide augmente dans la centrifugeuse, ce qui fait que le rendement de la centrifugeuse est accru et que le solide atteint le degré d'épaississement désiré. Un autre mode de régulation peut être adopté parallèlement ou isolément: avec l'indication du dispositif de mesure 40 concernant la quantité de solide extraite et/ou la concentration de solide, un autre paramètre de fonctionne- ment peut être mesuré en tant que grandeur perturbatrice du système de régulation et un signal électrique correspondant peut être appliqué par la ligne de commande 41 à l'unité de calcul 42, 48, qui agit également dans le sens voulu pour diminuer la vitesse de rotation différentielle entre l'en- veloppe 1, 2 et le corps de vis 3 quand la teneur en solide est trop faible ou quand la quantité de solide est trop petite, ou encore pour que l'organe d'étranglement 36 diminue la quantité de suspension qui afflue et donc la quantité de solide amenée, sans changement de la vitesse de rotation. Au lieu de tirer parti de la concentration de solide dans l'extraction de solide 8, 39 comme grandeur réglée, on peut aussi déterminer la concentration de solide dans le liquide clarifié sortant 31 (c'est-à-dire l'eau mère effluente) en tant que paramètre de fonctionnement et appli- quer la valeur déterminée, en tant que grandeur perturbatrice ou valeur directrice, au dispositif 42, 48 de régulation et/ou de commande des états de fonctionnement de la centrifugeuse. La valeur mesurée est alors déterminée par le dispositif de mesure 38 et est appliquée, par la ligne de commande 50, à l'unité de calcul 42, 48. Dans ce cas, si la teneur en solides est trop élevée dans le liquide clarifié, la vitesse différentielle est accrue et la quantité de solide amenée est diminuée, par exemple par étranglement de l'amenée de suspension, et inver- sement. En principe, tous les processus de régulation mentionnés dans la description du fonctionnement doivent s'entendre en ce sens que l'on peut inverser le signe des interventions de régulation. Cela signifie, par exemple dans le dernier cas considéré, que si la teneur en solides du liquide clarifié devenait inférieure à une limite inférieure prescrite, la vitesse de rotation différentielle serait diminuée et/ou la quantité de solide amenée serait augmentée. Les exemples des figures 1 et 2 servent égale- ment à illustrer schématiquement des modes d'exécution pos- sibles. Par conséquent, les variantes de construction ou de technique de régulation, dans la mesure o elles sont à la portée de l'homme du métier, rentrent dans le cadre de l'in- vention du moment qu'elles sont conformes à son esprit. C'est ainsi que l'organe d'étranglement peut être remplacé, dans l'arrivée de suspension 51, par une pompe à suspension réglable. L'ordre de succession des interven- tions de régulation est aussi de la compétence de l'homme du métier. Somme toute, pour influencer le système de régulation, on a notamment trois grandeurs d'entrée a) couple du corps de vis, b) dans l'extraction de solide: quantité de solide et teneur en solide, c) dans l'extraction de liquide clarifié quantité de solide et teneur en solide, ainsi que trois grandeurs régnantes: a) vitesse de rotation de l'enveloppe, b) vitesse de rotation différentielle enveloppe/ corps de vis, c) quantité de suspension amenée. On explique plus précisément l'invention ci- après à l'aide d'un exemple. Exemple On déshydrate une boue digérée par des bacté- ries du méthane et tirée d'une station d'épuration biologique d'eaux usées. On utilise une centrifugeuse à vis à bol plein - de 900 mm de diamètre et 2500 mm de longueur. Concentration d'entrée: de 2,5 à 4 % en poids de substance sèche (solide) dans la suspension; quantité amenée:de 35 à 40 m 3/h. Le tableau suivant récapitule les données numé- riques d'une expérience comparative avec une exécution norma- le (A) et une exécution selon l'invention (B). Désignation A B _ _ _- _- - _ _ _ - _ - _ _ - -_ _ _ _ _ -_ -_ _ _ _ _ _ _ - -_ -_ -_ _ _ _ -_ _ _ _ _ -_ _ -_ -_ _ - -_ _ débit d'arrivée, m 3/h 50 (constant) (30) 35 (40) extraction de solide, % en poids 18 à 22 28 à 32 liquide clarifié, % en poids 1 à 2 1 à 3 onsommation de floculant, kg/t 2,5 à 3 2,2 à 2,5 vitesse de rotation, tours/mn 900 (constante) 1000 à 140C itesse de rotation diffé- rentielle, tours/mn 6 (constante) 2 à 8 Résultat: dans des conditions approximative- ment semblables, l'effet d'épaississement est notablement accru puisqu'il passe de 18-22 à 28-32. Grâce à une adaptation souple des paramètres de fonctionnement de la centrifugeuse aux états de fonction- nement chaque fois variables, en particulier en cas de forte charge de solide due à des variations de la quantité de il solide entrante, un effet secondaire particulièrement appré- ciable de l'invention est que l'on évite avec une certitude absolue le blocage de la centrifugeuse. REVENDICATIONS 1 - Centrifugeuse à vis à bol plein, en parti- culier pour la séparation continue de mélanges d'eau et de boue, comportant une enveloppe approximativement cylindrique rétrécie coniquement en direction de la sortie de matière, une vis de forme cylindrique/conique disposée coaxialement dans l'enveloppe, une arrivée de suspension et un entraîne- ment adjoint à l'enveloppe et à la vis, centrifugeuse carac- térisée par la combinaison des points suivants: a) au moins une ouverture d'évacuation de li- quide (14, 16) est prévue, en direction axiale, entre l'arri- vée de suspension (15) et l'extraction de solide (8), b) entre une ouverture d'évacuation de liquide (14, 16) et l'extraction de solide (8) est prévu un rétrécis- sement de section transversale, par exemple un disque (13 qui se termine extérieurement à une certaine distance du côté intérieur de l'enveloppe (1,2), c) un dispositif (42, 48) est prévu pour la commande et/ou la régulation de la différence entre la vitesse de rotation de l'enveloppe (1, 2) et celle de la vis (3) et/ou de la quantité de solide amenée à la centrifu- geuse par unité de temps, en fonction d'un paramètre de fonctionnement, par exemple du couple de la vis (3) et/ou de la teneur en solide dans l'extraction de solide (8) et/ou dans l'extraction de liquide clarifié (12, 31). 2) Centrifugeuse selon la revendication 1, caractériséaen ce que les organes d'évacuation de liquide sont des canaux (7, 7') parallèles à l'axe, prévus sur la vis (3). 3 - Centrifugeuse selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisée en ce que l'entraînement (23, 24, , 32, 33) de la vis (3) comporte un dispositif (43) de détermination du couple, dispositif qui transforme les valeurs déterminées en signaux proportionnels au couple et applique ceux-ci au dispositif (42; 48) de commande et/ou de régulation. 4 - Centrifugeuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'à la suite de l'extraction de solide (8) et/ou de l'extraction de liquide clarifié (12) sont branchés des débitmètres (40, 38) qui déterminent la quantité et/ou la teneur en solide dans l'une des extractions (8, 39, 38), convertissent les valeurs déterminées en signaux, de préférence électriques, et appli- quent ceux-ci au dispositif de commande et/ou de régulation (42, 48).