Brevet FR2462196A1 — publié le 19810213

La présente invention concerne un appa- reil servant à broyer, à disperser et à classer des matiè- res fluides. Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un appareil servant à désagréger et à disperser de façon continue une composition à haute teneur en soli- des telle que des pigments, pour former une bouillie fine, et à broyer la bouillie pour diminuer la grosseur des par- ticules. L'appareil permet aussi de faire varier la grosseur de particules. On connaît divers appareils servant à broyer ou à disperser des mélanges homogènes, émulsions, etc... Dans le cas du broyage, les appareils de ce genre com- prennent des broyeurs à boulets, des broyeurs à cylindres, des broyeurs vibratoires, des agitateurs soniques, des homo- généiseurs, des mélangeurs etc.. Le brevet US 3.638.917 dé- crit un appareil à disperser les matières dans lequel on ré- alise un procédé de dispersion continue de matières avec ci- saillement élevé en laissant les matières suivre un parcours constamment dynamique courbé autour d'un centre o les matiè- res sont soumises à une zone de grande action de cisaille- ment. L'appareil décrit dans ce brevet US ne joue pas le rôle de classeur.Il ne comporte pas de caractéristiques va- riables et on ne peut faire varier l'intensité du broyage qu'en modifiant la vitesse du rotor. En outre,l'appareil en- gendre trop de chaleur pour qu'on l'utilise sur des bouil- lies finies du dioxyde de titane etc.. et il a une capacité réduite. L'invention a pour objet de fournir un ap- pareil à broyer et à disperser en continu les matières flui- des, de grande vitesse et de grande capacité, dans lequel les matières passent une fois à travers une zone à grand ci- saillement, cet unique passage à travers la zone à grand cisaillement suffit à désagréger et à disperser les composi- tions à haute teneur en solides dans une mesure telle que les bouillies de pigment de dioxyde de titane ne se déposent pas après cette étape de dispersion. Le broyeur est muni d'une sortie variable qui permet de faire varier la gros- seur des particules sortantes et permet donc au broyeur de jouer le rôle de classeur. Cet appareil n'engendre qu'une petite quantité de chaleur et l'écoulement à travers le broyeur est tel qu'une chemise de refroidissement n'est pas nécessaire pour le refroidir. Le grand débit permet à une grande quantité de matière de passer à travers le broyeur en un temps court. En outre, le broyeur lui-même a une peti- te dimension pour sa capacité, il est facile à démonter, il se vidange automatiquement et contrairement à l'appareil se- lon le brevet US cité plus haut, il comporte des côtés in- curvés dans un seul plan de sorte qu'il est moins co teux à fabriquer que des broyeurs comportant des côtés incurvés dans deux plans. Le broyeur utilise un équipement normal qui se trouve dans le commerce et ne laisse pas arriver d'air dans la bouillie. Les impuretés sont aussi ramenées à un minimum. L'invention propose donc un appareil rapi- de à broyer, à disperser et à classer en continu les matiè- res fluides, comprenant un récipient fermé muni d'une bague d'usure approximativement au centre, un arbre pouvant tour- ner autour d'un axe vertical, pénétrant dans le récipient et se terminant par une extrémité approximativement au cen- tre du récipient, un rotor fixé à l'extrémité de l'arbre, conçu pour tourner à l'intérieur de la bague d'usure et qui est sous la forme d'un disque circulaire muni à sa périphé- rie de plusieurs pales de cisaillement engendrant une zone à grand cisaillement entre les pales et la bague d'usure, une entrée située dans le récipient juste en dessous du rotor sur l'axe vertical, une sortie placéedans le récipient à une hauteur prédéterminée, juste au-dessus du rotor, sur l'axe vertical, de sorte qu'un courant de fluide allant de l'entrée à la sortie traverse la zone à grand cisaillement, et des moyens permettant de faire tourner l'arbre et le ro- tor. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on peut faire varier la hauteur prédéterminée de la sortie au-dessus du rotor pour régler la grosseur de particules du fluide quittant le broyeur. Ainsi, on peut ajuster les propriétés d'une bouillie quittant le broyeur pour répondre aux besoins du procédé. Dans un autre mode de réalisationl'ar- bre pénètre dans le récipient de haut en bas et la sortie est placée autour de l'arbre. Dans un autre mode de mise en oeuvrele sommet du récipient a une forme conique, la sortie étant tubulaire et se dirigeant vers le bas à l'in- térieur du récipient, à une hauteur variable au-dessus du rotor, le fond du récipient présentant une forme conique-ren- versée, l'entrée étant tubulaire et se dirigeant de bas en haut à l'intérieur du récipient. Le récipient peut être mu- ni d'une bague d'usure amovible. Dans un mode de réalisations la largeur de la zone à grand cisaillement entre les pales et la bague d'usure est d'environ 25 à 76 mm et le débit de fluide traversant le broyeur est d'environ 30 à 42 1/mn. Dans un autre mode de mise en oeuvre, le rotor tourne de manière à donner une vitesse périphérique d'environ 1400 à 3400 m/mn. La figure unique du dessin annexé montre en élévation en coupe un mode de réalisation d'un broyeur à dispersion continu rapide. Le récipient est formé d'acier doux ou inoxydable et présente une moitié supérieure 10 de forme conique comportant une sortie tubulaire 11 qui se dirige de haut en bas à l'intérieur du récipient et qui est ré- glable pour différentes positions de hauteur à l'intérieur de la moitié supérieure 10. La moitié supérieure 10 est réunie à la moitié inférieure 12 et présente une bague d'usure 13 entre les moitiés 10 et 12. La moitié inférieu- re 12 du récipient présente une forme conique renversée com- portant une entrée 14 de forme tubulaire qui se dirige de bas en haut à l'intérieur du récipient. Des trous de vidange 15 sont prévus dans le côté de l'entrée tubulaire 14 pour assurer que la bouillie ne reste pas dans le récipient lors- qu'il n'est pas en service. La moitié supérieure 10 et la moitié inférieure 12 sont reliées par des brides 16,de sor- te que l'on peut facilement séparer le récipient pour l'en- tretien et le nettoyage. Des boulons 17 munis d'écrous à ai- lettes spéciaux 18 maintiennent les deux moitiés 10 et 12 assemblées. Quand on desserre les écrous 18, on peut faire pivoter les boulons 17 autour d'un point d'appui 19 et abais- ser la moitié inférieure 12 du récipient relativement à la moitié supérieure 10, ce qui permet d'inspecter la bague d'usure 13 et de la remplacer si nécessaire. Un arbre tour- nant 20 se dirige du haut en bas à travers la sortie tubulai- re 11 et arrive approximativement au centre du récipient en- tre la moitié supérieure 10 et la moitié inférieure 12, à l'intérieur de la bague d'usure 13,et le rotor 21 est fixé à l'extrémité de l'arbre 20. Le rotor 21 est sous la forme d'un disque circulaire portant à sa périphérie de multiples pales 22 qui tournent autour de l'axe à l'intérieur de la ba- gue d'usure 13. L'espacement entre les pales 22 et la bague d'usure 13 constitue la zone à grand cisaillement 23 et la matière fluide ou bouillie passe à travers cette zone 23 o se produisent la dispersion et le broyage. Dans un mode de réalisation, le rotor 21 utilisé dans le récipient est un disque commercial à grand cisaillement de type Cowles, mon- té sur l'arbre 20, entraîné par une transmission à vitesse variable et un moteur électrique non représenté. La vitesse périphérique du rotor, au bout des pales, est de préférence de 1400 à 3400 m/mn et la zone à grand cisaillement 23 en- tre le bout des pales et la bague d'usure 13 mesure de pré- férence approximativement 25 à 76 mm. On peut faire varier la grandeur de la zone à grand cisaillement 23 en insérant différentes grandeurs de rotor 21 ou encore en insérant une bague d'usure 13 de diamètre intérieur différent. Une chambre de trop-plein 24 et un tuyau d'évacuation 25 sont prévus de sorte que l'on peut amener les bouillies disper- sées à des cuves tampons ou à des réservoirs. La hauteur de l'entrée 14 en dessous du rotor 21 peut avoir une influence sur le broyage des parti- ?621 96 cules dans la bouillie. Si l'entrée 14 se termine juste en dessous du rotor 21, le maximum de broyage est obtenu. Si l'entrée est plus basse, le broyage diminue mais les ag- glomérations contenues dans la bouillie sont divisées. Si la zone à grand cisaillement est petite, il se produit un broyage de la bouillie dans le récipient, si la zone est grande, il se produit davantage de dispersion et moins de broyage et une moins grande quantité d'énergie est transfé- rée au fluide qui traverse la zone à grand cisaillement. On fait varier la hauteur de la sortie 11 selon la grosseur de particules que l'on veut obtenir à la sortie du broyeur. Ainsi, la position de la sortie 11 permet au broyeur de jouer le rôle de classeur. Si l'on abaisse la sortie 11, elle arri- ve par dessus le moyeu 21 A du rotor 21, diminuant la zone de sortie.Il en résulte un resserrement de l'écoulement à travers le broyeur de sorte que les particules sont davanta- ge broyées à l'intérieur du broyeur et prennent une plus pe- tite grosseur. Quand on élève la sortie 11 dans le récipient , le diamètre de sortie augmente parce que le moyen 21 A du rotor se trouve hors de la sortie 11, le débit du broyeur augmente et il se produit un broyage moindre de sorte que les particules sont plus grosses. En plaçant la sortie en différentes positions dans le récipient 10, on peut modifier la grosseur des particules de la bouillie quittant le broyeur. Dans un mode de réalisation, l'aire de l'entrée 15 est inférieure à l'aire de la sortie î) même quand la sortie est dans sa position la plus basse par des- sus le moyeu 21 A du rotorde sorte qu'il ne se produit que peu ou pas du tout d'accumulation de pression dans le broyeur, donc d'échauffement. Dans le cas d'un pigment de dioxyde de titane fini, l'échauffement peut provoquer une décomposition d'agents de dispersion organiques. Le matériau du récipient est de préféren- ce l'acier doux ou l'acier inoxydable. La bague d'usure 13 peut être formée d'acier doux ou inoxydable. La bague d'u- sure peut être revêtue d'une matière d'usure dure telle que le carbure de tungstène ou dans certains cas, elle peut constituer une pièce rapportée en céramique. L'arbre 20 est de préférence entraîné par une transmission à vitesse variable et un moteur électrique. Le rotor 21 est de préférence un disque diffuseur normal du type Cowles portant des pales adjacen- tes de chaque coté. On peut faire varier la hauteur des pa- les au-dessus du disque selon le degré de broyage voulu. Des pales plus hautes de chaque côté du disque augmentent le broyage. En service, on amène en continu une bouil- lie riche en solides dans le tuyau d'entrée 14 d'o elle sort sur l'axe vertical de l'arbre 20, juste en dessous du rotor 21. A mesure que la bouillie se déplace vers l'exté- rieur, elle est saisie par la force centrifuge du rotor qui tourne à grande vitesse à l'intérieur du récipient. Les par- ticules assez petites montent à travers la zone à grand ci- saillement 23, les particules plus grosses sont projetées à l'extérieur du broyeur, retournent au fond du récipient o elles tourbillonnent, puis montent à travers la zone à grand cisaillement 23, adjacente à la bague d'usure 13. La bouil- lie est agitée vigoureusement et mise en rotation à grande vitesse par suite de la force centrifuge exercée par le ro- tor 21 et les pales 22. Les particules plus grosses tendent à rester à l'extérieur du récipientet dans certains cas, peuvent retomber dans la zone à grand cisaillement 23. La sortie 11 crée un tourbillon et la bouillie tourbillonne en montant le long des côtés coniques de la moitié supérieure 10. Si la sortie est dans sa position la plus haute, le récipient a une faible efficacité comme classeur mais il divise les agglomérations de la bouillie. Si la sortie 11 est dans sa position la plus basse, le récipient a une efficacité maxi- male comme classeur et les particules plus grosses sont ra- menées à la zone à grand cisaillement et divisées. Le réci- pient est complètement fermé et n'a pas besoin d'évents de sorte que de l'air ne-peut pas se mélanger à la bouillie. S'il est nécessaire de nettoyer la machine, on peut le faire en retirant les écrous à ailettes spéciaux 18 en nettoyant les deux moitiés 10 et 12 du récipient. On peut faire varier la vitesse périphé- rique du rotor 21 en faisant varier la vitesse de rotation de l'arbre 20 pour l'adapter à la matière qu'il s'agit de traiter. Dans le cas d'un dioxyde de titane revêtu, si la vitesse périphérique du rotor est trop faible, il ne se pro- duit pas une dispersion suffisante dans la bouillie. Si la vitesse périphérique est trop grande, il se peut que le re- vêtement soit détaché du pigment de dioxyde de titane, ce qui est inacceptable. Dans un mode de mise en oeuvre, on essaie un rotor de 295 mm avec une zone à grand cisaillement de 62 mm de largeur entre le bout des pales et la bague d'usure. La vitesse périphérique du rotor est de 2417 m/mn. La matiè- re servant à cette expérience est une bouillie riche en so- lides contenant du pigment fini et redélayée à au moins 63% de solides dans un cas et à au moins 76% dans un autre exem- ple, selon le pigment utilisé. Au cours de chaque essai, on prélève des échantillons des bouillies du broyeur et on dé- termine leur nuance de couleur, leur pouvoir colorant et on vérifie que la bouillie est exempte d'agglomérations. Il ressort qu'une homogénéisation complète de la bouillie s'est produite et des essais comparatifs montrent que les proprié- tés de la bouillie obtenue sont égales sinon supérieures à celles du pigment fini sous forme sèche. Les propriétés rhé- ologiques des bouillies sont excellentes aussi. On observe que)lorsque le débit est de l'ordre de 26 à 42 1/mn, il exis- te, au sein du broyeur, une différence de température d'en- viron 250C. Cette différence diminue aux grands débits parce que la bouillie joue le rôle d'agent de refroidissement dans le broyeur. Ce grand débit de bouillie permet de traiter dans le broyeur jusqu'à 100 t de solides par jour. Il est évident pour l'homme de l'art que l'on pourrait apporter diverses modifications à ce broyeur ?462196 sans sortir du cadre de l'invention. On peut choisir, pour des nécessités particulières de débit et de classement, les angles de conicité des moitiés supérieure et inférieure des récipients. Dans certains cas, il peut être désirable de prévoir une chemise de refroidissement entourant la moitié inférieure du broyeur. Le broyeur lui-même peut être formé de matière céramique assurant des propriétés d'usure sup- plémentaires. La bague d'usure elle-même peut être facile- ment remplaçable ou dans certains cas, elle peut faire corps avec le récipient. A titre de variante, on peut appliquer un revêtement spécial sur tout l'intérieur du récipient pour diminuer l'usure. 4 6?196 REVENDICATIONS 1. Appareil rapide à broyer, à disperser et à classer en continu les matières fluides, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient (10) fermé,muni d'une bague d'usure (13) approximativement au centre, un arbre (20) pou- vant tourner autour d'un axe vertical, pénétrant dans le ré- cipient (10) et se terminant par une extrémité approximative- ment au centre du récipient, un rotor (21) fixé à l'extrémi- té de l'arbre (20), conçu pour tourner à l'intérieur de la bague d'usure (13) et qui est sous la forme d'un disque cir- culaire muni à sa périphérie de plusieurs pales de cisaille- ment (22) engendrant une zone à grand cisaillement (23) en- tre les pales (22) et la bague d'usure (13), une entrée (14) située dans le récipient juste en dessous du rotor (21) sur l'axe vertical, une sortie (11) placée dans le récipient à une hauteur prédéterminée, juste au-dessus du rotor (21), sur l'axe vertical, de sorte qu'un courant de fluide allant de l'entrée (14) à la sortie (11) traverse la zone à grand ci- saillement (23), et des moyens permettant de faire tourner l'arbre (20) et le rotor (21). 2. Appareil selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'arbre (20) pénètre dans le récipient (10) de haut en bas et la sortie (11) est placée autour de l'arbre (20). 3. Appareil selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le sommet du récipient (10) a une forme conique, la sortie (11) étant tubulaire et pénétrant de haut en bas dans le récipient (10) et le fond (12) du récipient a une forme conique renversée, l'entrée (14) étant tubulai- re et pénétrant de bas en haut dans le récipient (10). 4. Appareil selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que l'entrée (14) peut être disposée à une distance variable en dessous du rotor (21) et présente des trous de vidange (15) empêchant le fluide de rester dans l'appareil. 5. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la hauteur prédéterminée de la sortie ?462 1 96 (11) peut être réglée à une distance variable au-dessus du rotor (21). 6. Appareil selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la largeur de la zone à grand cisaille- ment (23) entre les pales (22) et la bague d'usure (13) est d'environ 25 à 76 mm. 7. Appareil selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le débit de fluide qui le traverse est d'environ 26 à 42 1/mn. 8. Appareil selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que la vitesse périphérique du rotor (21) est d'environ 1400 à 3400 m/mn. 9. Appareil selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le fluide qui le traverse contient au moins 60% de matières solides. 10. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bague (13) est amovible. 11. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'intérieur du récipient (10) et la bague d'usure (13) sont revêtus de matières résistant à l'abrasion.