Brevet FR2446130A1 — publié le 19800808

La présente invention concerne un broyeur aux ultrasons, fonctionnant en voie humide. Des minerais ou autres tels que du charbon contiennent un certain nombre d'impuretés qui gênent la mise en oeuvre de procédés de combustion du charbon et/ou engendrent des produits de pollution. Les impuretés caractéristiques sont les pyrites1 l'argile etc. L'extraction de ces impuretés est difficile et coûteuse pour certaines qualités de charbon dans lesquelles les impuretés sont très ' petites et sont réparties dans l'ensemble du charbon. Les traitements utilisés pour éliminer ces impuretés sont lents et nécessitent des températures et des pressions élevées. La présente invention a ppur but de créer un appareil permettant de réduire les températures et les pressions mises en oeuvre tout en augmentant le débit et par suite le rendement, à l'aide d'un broyeur fonctionnant aux ultra-sons. On connait déjà des dispositifs de traitement de fluide aux ultra-sons comme cela est décrit dans les brevets-U.S 2.722.498, 3.614.069 et Re 29.161. Les particules solides du minerai à purifier sont mélangées à un liquide pour former une boue. Cette boue est envoyée dans une chambre dans laquelle les particules sont fragmentées et l'effet de cavitation est induit dans la boue pendant que celle-ci se déplace dans la chambre en touchant l'organe de transmission des vibrations Puis, le liquide est séparé des particules ainsi fragmentées. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un appareil selon l'invention. - la figure 2 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un appareil selon l'invention. - la figure 3 est une vue en coupe d'un appareil selon un autre mode de réalisation de l'invention. - la figure 4 est une vue en coupe d'un appareil selon un autre mode de réalisation de l'invention. - la figure 5 est une vue en coupe d'une autre variante de l'invention. Dans la description des figures, les mêmes références numériques indiquent les mêmes éléments dont la description ne sera pas reprise. La figure 1 montre un appareil correspondant à un mode de réalisation de l'invention Cet appareil porte globalement la référence 10 L'appareil 10 comprend un boltier 12 formé de préférence par un ensemble d'organes vissés, toutes les lignes de séparation des organes n'étant pas représentées, Le boitier 12 est réalisé en un matériau résistant å la corrosion tel qu'une matière synthétique, une matière céramique ou un métal tel que de l'acier inoxydable. Le boîtier 12 comporte une entrée 14 et une sortie 16 communiquant avec une chambre 18 de forme allongée. Un disque 20, allongé, résonnant à la flexion, avec un ventre à son bord périphérique en forme de couteau, est placé dans la chambre 18 à une certaine distance des parois délimitant la chambre 18.La longueur du disque 20 est de préférence pratiquement égale à la longueur de la chambre 18 Au niveau d'un ventre, le centre du disque 20 est fixé par un moyen métallurgique tel que par une soudure à une extrémité de l'organe 22 de transmission des vibrations, avec une bonne coincidence des impédances. L'existence d'un ventre au. centre et à la périphérie du disque 20 augmente la quantité d'énergie de vibrations transmise à la boue. L'organe 22 est réalisé en métal de préférence avec une résonance en mode longitudinal ; l'organe 22 comporte de préférence une surface conique tournée vers la chambre 18 comme cela est indiqué. L'extrémité de l'organe 22 éloignée du disque 20 est solidairement fixée à un transducteur 24 avec une bonne adaptation d'impédance, par une soudure ou une brasure Le transducteur 24 peut être formé d'un noyau laminé de nickel ou de tout autre matériau magnétostrictif, ayant une fenêtre rectangulaire Une bobine de polarisation 28 est enroulée dans l'ouverture, sur un côté et une bobine d'excitation 26 est enroulée au niveau de l'ouverture, sur le côté opposé.Lors d'une variation de l'intensité du champ électrique dans la bobine d'excitation 26, cela se traduit par une variation correspondante des dimensions du transducteur 24 à condition que la bobine de polarisation 28 reçoie un courant continu de niveau adéquat et que la fréquence des variations ci-dessus soit égale à la fréquence du courant électrique alternatif traversant la bobine 26. On peut également utiliser d'autres types de transducteurs à la place de transducteurs magnétostrictifs, tels que par exemple des plaquettes de céramique électostrictives qui existent dans le commerce. Organe 24 est avantageusement muni d'un organe de montage 30, résistant Organe de montage 30 facilite la fixation de la source d'énergie vibratoire sur le bottier 12 avec une perte d'énergie très faible ou pratiquement inexistante, vers le bottier 12. En soi un montage insensible à la transmission d'une force est connu comme cela est par exemple décrit dans le brevet UOS 2,891,1?8, Un montage insensible est un organe résistant dont la longueur est équivalente à un multiple pair du quart de la longueur d'onde du matériau dans lequel est fait cet organe, à la fréquence de travail de la source à laquelle cet organe est fixé. Une extrémité de l'organe 30 est solidarisée à l'organe 22 au niveau d'un ventre et l'autre extrémité est libre. A une distance correspondant à un multiple impair de l'équivalent d'un quart de longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement, l'organe 30 comporte une bride 32 en saillie, radialement vers l'extérieur. La bride 32 est portée par le bottier 12 et est serrée par une bague 34 qui peut être vissée au boîtier 12 pour'former un joint. Les impuretés les plus usuelles du charbon et qu'il est souhaitable de séparer du charbon sont les pyrites et l'argile. On rajoute pour cela ur liquide au charbon pour former une boue que l'on pompe dans l'entrée 14 à travers la chambre 18 et qui sort par le passage 16 pour passer sur un écran séparateur ou analogue qui sépare le liquide du charbon. A mesure que la boue traverse la chambre 18, les vibrations du disque 20 fractionnent mécaniquement le charbon. De plus, les vibrations du disque 20 créent des effets de cavitation dans la boue produisant également un fractionnement du charbon. Comme cela est connu, la cavitation par les ultra-sons crée des bulles à l'interface charbon-liquide et ces bulles implosent La double action du contact mécanique du disque 20 et l'effet de cavitation de la boue fractionnent le charbon et dégagent les impuretés finement divisées, pour permettre leur séparation. L'énergie vibratoire ne doit pas dépasser celle nécessaire pour induire un effet de cavitation dans les boues , cette énergie varie en fonction des liquides concernés de la fréquence de vibration et de la température des liquides. La puissance de seuil nécessaire pour induire l'effet de cavitation dans l'eau à la température ambiante est comprise entre 1 et 2 watts/cm2 pour une fréquence comprise entre 1000 et 100 000 Hz. L'effet de cavi tation nettoie la surface du charbon pour rompre le film de surface, l'impact des bulles fragmente la surface du charbon et augmente la vitesse de diffusion du liquide sortant et rentrant dans le charbon.Cette fragmentation et cette diffusion sont facilitées du fait que le charbon est très poreux. I1 n'est pas nécessaire de préchauffer la boue sauf Si l'on prévoit un agent de lavage. Certains agents de lavage sont plus efficaces à des températures d'environ 600C. Le liquide utilisé pour former une boue avec le charbon est de préférence un liquide aqueux qui peut contenir un ou plusieurs agents de lavage et un agent de pénétration pour induire le fractionnement du charbon. Les agents de pénétration caractéristiques utilisables sont : ammoniaque, méthanol, tétraline, o-cyclohexyl phénol, éthanolamine, pyridine, acrylonitrile, oxyde sulfureux liquide et les surfactants. De tels liquides pénètrent dans le charbon et développent le fractionnement de celui-ci ; on peut également les appeler agents de fractionnement. On peut ajouter un grand nombre d'agents de lavage au liquide pour former la boue avec le charbon. Comme agents caractéristiques, on envisage : sulfate ferrique aqueux, hydroxyde métallique alcalin tel que l'hydroxyde de sodium ou l'hydroxyde de potassium, sulfate ferreux, chlorure ferrique etc. Les agents de fractionnement rendent le charbon plus fragile. L'agent de lavage supprime les impuretés du charbon. Le cas échéant, la boue peut contenir un surfactant, un agent facilitant le broyage ou un agent facilitant la séparation tel que Carbosil, silico aluminate de sodium ou analogue, évitant que les particules de charbon ne s'agglomèrent de nouveau. La séparation entre le liquide et les particules de charbon de la boue, à la sortie du passage 16 peut se faire à l'aide d'un grand nombre d'agents de séparation, usuels tels que des écrans ou tamis, des réservoirs flottants ou analogues. On arrive a des débits très élevés du fait de l'écoulement permanent de la boue à travers la chambre 18.On peut réaliser une boue adéquate en mélangeant les éléments suivant des proportions pondérales suivantes : charbon 1 % - 70 %, la granulométrie de la poudre correspondant à 6 mm le complément est du liquide ; si l'on a un agent de lavage, il faut qu'il puisse réduire la teneur en pyrite d'environ 3 % jusqu'à 0,7 %. Le transducteur 24 travaille de préférence à une fréquence comprise entre 1000 Hz et 20000 Hz. I1 est préférable d'avoir une source d'énergie qui se situe dans la plage des ultrasons puisque la fréquence de vibration est au-dessus de la plage audible qui en général a une limite supérieure à 14000 Hz. La figure 2 montre un autre mode de réalisation de l'invention concernant un appareil portant globalement la référence 38. L'appareil 38 se compose d'un boitier 40 muni d'une entrée 42, d'une sortie 44, les deux communiquant avec la chambre 46. La chambre 46 est de préférence cylindrique. Un premier et un second organes de transmission de vibrations 48r 50 pénètrent dans la chambre 46 par leur extrémité libre qui correspond à un ventre. Les organes 48, 50 résonnent en mode longitudinal et sont par ailleurs identiques à l'organe 22 sauf qu'ils n'ont pas d'extrémités libresen biais, qui correspondent à des ventres. Les organes 48, 50 sont espacés l'un de l'autre d'un intervalle 64 qui peut varier de 3 mm à 25 mm. L'organe 48 est relié à une source de vibrations 52 correspondant à la source de la figure 1 et comporte un organe de montage 56 insensible à la force et qui correspond à l'organe de montage 30. L'organe 50 comporte une source analogue d'énergie vibrante 54 et un organe de montage insensible à la force 58. Les organes 48 et 50 sont de préférence déphasés de 1800 pour que l'entrefer 64 soit alternativement comprimé et dilaté pour former un point de cavitation. Un joint 60 est prévu entre le boîtier 40 et l'organe 48. Un joint analogue 62 est prévu entre le boîtier 40 et l'organe 50. Les joints peuvent être des anneaux toriques en un polymère plastique. Le cas échéant, les organes 56, 58 peuvent être scellés dans le boîtier 40 pour supprimer les joints 60, 62. Le boltier 40 est de préférence réalisé dans les matériaux indiqués ci-dessus.L'appareil 38 travaille de la même manière que décrit ci-dessus pourl'appareil 10. La figure 3 montre un autre mode de réalisation de l'appareil 68 selon l'invention. L'appareil 68 est identique à l'appareil 10 à l'exception des différences indiquées ci après Dans l'appareil 68 le boîtier 70 comporte un passage d'entrée 72 et un passage de sortie 74, chaque passage communiquant avec la chambre 76. L'organe de transmission de vibrations 78 se termine par une surface libre avec un ventre séparé mais néanmoins étroitement adjacent du point de sortie de la boue du passage 72. La figure 4 montre un autre mode de réalisation d'un appareil 80 selon l'invention. L'appareil 80 comprend un boîtier 82 qui résonne en mode radial et qui contient une chambre 84. La chambre 84 réçoit un arbre 88 avec un filet hélicoldal pour engendrer un effet de macromélange. La boue est introduite dans le boîtier 82 par l'intermédiaire d'une trémie ou réservoir d'alimentation 86. Le boîtier 82 comporte plusieurs sources d'énergie vibratoires, dirigées radialement vers l'extérieur et qui sont accordées pour entraîner le boltier 82 en mode radial. Chaque source comporte un organe de transmission de vibrations 90 dont une extrémité est reliée au boîtier 82 avec une bonne adaptation d'impédance et dont l'autre extrémité est reliée à un transducteur 92. Chaque organe 90 comporte un organe de montage 94 insensible à la force. Chaque organe 94 est porté par un châssis fixe non représenté. A mesure que la boue descend à travers la chambre 84, elle subit les efforts mécaniques des aubes en filets de vis de l'arbre 88; ce qui induit un effet de cavitation dans la boue par suite des vibrations en résonance du boîtier 82.L'arbre 88 évite une région inactive pour l'énergie vibratoire au centre de la chambre 84. L'arbre 88 peut etre fixe ; toutefois il est préférable de faire tourner l'arbre 88D lentement autour de son axe longitudinal à l'aide d'un moteur non représenté. Le cas échéant, l'arbre 88 peut résonner et vibrer en mode radial. La figure 5 montre un appareil 100 correspondant à un autre mode de réalisation de l'invention qui est analogue à l'appareil 10 aux exceptions indiquées ci-après. L'appareil 100 comprend un boîtier 102 formé de préférence par un ensemble d'éléments vissés les uns aux autres, les lignes de séparation des divers éléments n'étant pas toutes représentées. Le boîtier 102 est réalisé en un matériau inerte à la corrosion tel qu'une matière synthétique, une céramique0 un métal (acier inoxydable) etc. Le boîtier 102 comporte une entrée 104 et une sortie 106 communiquant avec une chambre circulaire 108. Un disque circulaire 110 résonne en mode de flexion et présente un ventre sur le bord périphérique tranchant ; ce disque 110 est placé dans la chambre 108 en étant écarté des parois définissant cette chambre 108. Le diamètre du disque 110 est de préférence essentiellement égal au diamètre de la chambre 108. Au niveau d'un ventre, le centre du disque 110 est lié par un moyen de métallurgie tel qu'une soudure à une extrémité d'un organe 112 transmettant les vibrations D la liaison se faisant avec une bonne adaptation d'impédance La présence d'un ventre au centre et à la périphérie du disque 110 augmente énergie vibratoire transmise à la boue. L'organe 112 est réalisé en métal ; il résonne de préférence en mode longitudinal et est de préférence conique comme cela est représenté La chambre 114 communique avec la chambre 108 par le passage 106. L'organe 112 traverse la chambre, coaxialement et son ventre est exposé à la boue contenue dans la chambre 114. La boue doit passer de entrée 104 pour traverser la chambre 108 et entourer le disque 110 pour arriver dans la chambre 114, puis sortir par le passage 106. Chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus est imbriqué sur le plan de la structure D de sorte que la boue ne peut échapper à la zone d'action dans laquelle agit l'énergie vibratoire. Dans chaque mode de réalisation, la boue est exposée à une surface importante de l'organe vibrant, cette surface étant importante par rapport à la surface de la chambre traversée par la boue. Par exemple, la surface exposée des organes 22 et 78 dépasse de beaucoup la surface de la section de ces organes ainsi que la surface de la section de la chambre traversée par la boue. Dans chaque mode de réalisation, on a des régions successives ou progressives dans lesquelles l'énergie vibratoire est transmise à la boue. R E V E N D I C A T I O N S 10) Procédé de fractionnement de particules solides, procédé caractérisé en ce qu'on forme une boue de particules solides et de liquide on fait passer la boue dans une chambre0 on fractionne les particules et on induit un effet de cavitation dans la boue pendant que cette boue traverse la chambre, en mettant la boue en contact avec un organe transmettant des vibrations en résonance, on place cet organe dans la chambre de façon à ne pas avoir de régions inactives sans transmission d'énergie vibratoire à la boue qui traverse la chambre, on monte cet organe de transmission à l'aide d'un organe qui réduit les pertes d'énergie vibrante vers le support et on sépare le liquide par rapport aux particules fractionnées. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme une boue de charbon constituant les particules solides et d'un liquide contenant un agent de lavage susceptible d'extraire les impuretés du charbon, on sépare les impuretés du charbon à l'aide de l'agent de lavage après avoir exposé les impuretés à l'opération de fractionnement. 30) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on ajoute un agent de fractionnement au liquide. 40) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe transmettant l'énergie vibratoire résonne en mode longitudinal et présente au moins un ventre au niveau de la surface exposée dans la chambre pour la surface qui est en contact avec la boue. 50) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe transmettant les vibrations est un disque résonnant en mode de flexion, et présentant un ventre à sa périphérie. 60) Procédé selon la revendication la caractérisé en ce que l'organe transmettant les vibrations est un boîtier creux, résonnant en mode radial. 70) Procédé de fractionnement de particules solides, procédé caractérisé en ce qu'on forme une boue de charbon contenant des impuretés telles que des pyrites et d'un liquide contenant un agent de lavage susceptible d'extraire les impuretés, on pompe la boue à travers une chambre ayant une entrée et une sortie on fractionne le charbon et on induit un effet de cavitation dans la boue pendant que la boue traverse la chambre en mettant la boue en contact avec un organe de transmission de vibrations par résonance, pour dégager les impuretés e on place l'organe dans la chambre de façon à ne pas laisser subsister une région inactive non soumise à l'énergie vibratoire pour la boue qui traverse la chambre, on monte cet organe de transmission à laide d'un organe qui réduit les pertes d'énergie vibratoire, transmises au support, on extrait les impuretés à l'aide de l'agent de lavage et on sépare le liquide des particules de charbons fractionnées. 80) Procédé selon la revendication 7D caractérisé en ce qu'on utilise un agent de fractionnement, liquide dans la boue. 90) Appareil pour fractionner des particules solides dans une boue, appareil caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier définissant une chambre munie d'une entrée et d'une sortie, pour être traversée par la boue, un moyen pour fractionner les particules solides de la boue et induire un effet de cavitation dans la boue pendant que celle-ci traverse la chambre, un moyen comprenant un organe de transmission de vibrations par résonance, avec au moins un ventre exposé dans la chambre de façon à ne pas laisser de régions inactives non soumises à l'énergie vibratoire, directement de l'entrée à la sortie, sur le passage de la boue, cet organe étant relié à un support par un organe de transmission qui réduit les pertes d'énergie vibratoire vers le support. 100) Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que la surface exposée de l'organe transmettant énergie vibratoire, dans la chambre, dépasse la surface de la section transversale de la chambre, traversée par la boue et l'organe de transmission résonne en mode de fléchissement, en mode longitudinal ou en mode radial.