Brevet FR2468401A1 — publié le 19810508

L'invention se rapporte à un mélangeur statique se composant d'une enveloppe tubulaire dans-laquelle est disposé au moins un élément mélangeur se composant de barrettes qui se croisent et qui inscrivent un angle avec l'axe du tube, les barrettes des éléments mélangeurs étant disposées en au moins deux groupes et cel2es de chaque groupe étant sensiblement parallèles, les barrettes d'un groupe croisant celles de l'autre. Les demandes de brevets DE-AS n0 23 28 795 et 25 22 106, par exemple, décrivent des structures de ce ty- pe. La rentabilité et la technologie imposent que le mélangeur ait une longueur aussi faible que possible. Le prix des matières premières et la perte de pression jouent un rôle pour la rentabilité et il importe du point de vue technologique que la longueur globale du mélangeur soit faible afin que ce dernier ait un faible encombrement et} de plusque le temps pendant lequel les fluides y demeu- rent soit faible. Les principes sur lesquels l'art antérieur était fondé en pratique étaient que pour obtenir le rendement voulu d'homogénéisationpar exemple en ce qui concerne la concentration ou la température, il fallait que les élé- ments mélangeurs comprennent un grand nombre de barrettes et que celles-ci soient fortement tassées, cette disposi- tion correspondant à celle dite à faible "ouverture de mailles". La longueur du mélangeur ainsi réalisée est re- lativement faible. Mais l'expérience a montré que cet avantage doit s'acquérir au prix d'une chute considérable de pression. Celle-ci doit être compensée par des pompes de grande puissance et donc par une forte consommation de courant avec des critères très strictes imposés à la ré- sistance mécanique des éléments mélangeurs. De plus, ces éléments mélangeurs sont difficiles à nettoyer et sont exposés à un grand -risque de colmatage par des dépôts sur les barrettes. Ces expériences ont amené à penser qu'un certain "desserrement" de la structure des éléments mélangeurs, 2- c'est-à-dire une réduction du nombre des barrettes et une augmentation de l'ouverture de mailles permettre de réduire la perte de pression. Toutefois, d'après les lois de formation de zones ou couches utilisées pour ex- pliquer les phénomènes d'homogénéisation, ce mode de réa- lisation aurait pour effet de diminuer le nombre des cou- ches produites sur une longueur déterminée du mélangeur et donc de nécessiter un allongement de ce dernier. Il a été admis que la longueur que doit avoir le mélangeur doit être augmentée dans le même rapport que celui dans lequel la perte de pression devrait être réduite. On s'est abstenu en pratique d'utiliser un tel mode d'exécution pour cette raison. L'invention a pour objet une structure du type tel que spécifié, mais dont la géométrie garantit l'obtention du rendement voulu de l'homogénéisation avec un mélangeur relativement court et dans lequel la chute de pression est faible. Selon une particularité essentielle du mélangeur statique conforme à l'invention et tel que spécifié en préambule, le rapport de la largeur maximale des barrettes au diamètre du tube est compris entre 0,1 et 0,167, le rap- port de la distance entre barrettes de chaque groupe mesu- rée perpendiculairement à ces dernières au diamètre du tu- be est compris entre 0,2 et 0,4 et le rapport de la lon- gueur d'un élément mélangeur au diamètre du tube est compris entre 0,75 et 1,5. Des essais ont confirmé que ce mélangeur statique donne réellement les résultats recherchés. La découverte surprenante de l'invention repose sur le fait que l'observation de ces règles de dimensionnement permet la réalisation d'un mélangeur dont l'allongement ne représente qu'une fraction de celle à laquelle il fallait s'attendre et dans lequel la perte de pression atteint une faible valeur inattendue; ces avantages seront évoqués par la suite au cours de la description d'exemples de réalisa- tion. L'invention est utilisable en particulier pour le mélange de liquides newtoniens et non newtoniens. L'enveloppe tubulaire peut consister eh un tuyau cylindrique ou en un tuyau de section carrée; Dans le pre- mier cas, le contour des barrettes doit être mis en confor- mité à leurs extrémités avec la section circulaire du tuyau cylindrique. Les règles de dimensionnements indiquées au sujet du rapport de la largeur b des barrettes au diamètre d du tube ainsi que du rapport de la distance m entre barrettes d'un groupe, mesurée perpendiculairement à celles-ci, au diamètre d du tube et du rapport de la longueur 1 de l'élé- ment mélangeur à ce diamètre d du tube déterminent la géo- métrie de l'élément mélangeur. Ainsi, la mention d = 0,167 d indique que six barrettes sont disposées sur la même sec- tion du tube, tandis que lorsque - = 0,1, dix barrettes sont disposées sur cette section. Le rapport de la distance m entre barrettes de cha- que groupe au diamètre d du tube détermine la densité de ces barrettes à l'intérieur du tube, c'est-à-dire l'ouver- ture de mailles perpendiculairement à l'axe du tube et donc la surface totale de ces barrettes. Le rapport de la longueur 1 de l'élément mélangeur au diamètre d du tube donne la longueur d'un élément mé- langeur. L'invention va être décrite plus en détail en re- gard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limi- tatif et sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique partielle en coupe longitudinale d'un mélangeur à éléments conformés selon l'invention; et - la figure 2 est un diagramme dans lequel le rende- ment du mélange est représenté sous la forme du coefficient de variation en fonction de la longueur relative d du d mélangeur. La figure 1 représente quatre éléments mélangeurs 2 à 5 qui se succèdent à l'intérieur d'un tube 1, les élé- ments successifs étant décalés de 90 les uns par rapport aux autres suivant l'axe du tube. Chacun des éléments représentés dans l'exemple de réalisation se compose de deux groupes 6 et 7 de bar- rettes, chaque groupe se composant à son tour de barrettes 6'a, 6"a, 6'''a - 6'dd, 6, 6'''d, dans un cas, et 7'a, 7'ta, 7'''a - 7'd, 7"d, 7'''d, dans l'autre cas, qui sont inclinéessuivant uncertain angle sur l'axe de symétrie longitudinal du tube ou tuyau 1 et l'angle d'inclinaison a des barrettes du groupe 6 est de signe inverse à celui de l'angle d'incLinaison des barrettes du groupe 7. Dans l'exemple particulier de réalisation, a est égal à 45 . Chaque élément mélangeur se compose de trois paires de plaques entrecroisées 6'a - 6'd, 7'a - 7'd; 6"a - 6"d, 7"a - 7"d et 6 '''a 6'''d, 7'''a - 7'''d, les barrettes du groupe 6 étant interposéesdans les intervalles entre barrettes du groupe 7 qu'elles croisent et les barrettes du groupe 7 étant interposées dans les intervalles entre barrettes dugroupe 6 qu'elles croisent. Chaque paire de plaques dans l'exemple de réalisa- tion représenté se compose de huit barrettes, les barrettes de chaque plaque étant disposées dans un plan (voir les barrettes 6"a - 6"d de l'élément mélangeur 3 et les barret- tes 7'''a - 7'''d de l'élément mélangeur 5 sur la figure 1). Mais il est aussi possible de disposer les barrettes 6'a - 6'd, 7'a - 7'd, etc., non pas dans chaque cas dans un plan, mais en les échelonnant. Les barrettes de chaque élément mélangeur peuvent toutes être reliées en une passe par soudage électrique à résistance à leurs lieux de contact de la manière décrite dans la demande de brevet DE-OS n 27 48 128. La largeur des barrettes porte la référence b, le diametre du tuyau, la référence d et la distance entre barrettes des paires de groupes porte la référence m, l'angle d'inclinaison des groupes 6 et 7 sur l'axe du canal portant la référence o et la longueur des éléments mélangeurs portant la référence 1. La perte de pression et la longueur relative de cinq types d'éléments mélangeurs vont être comparées ci- dessous à l'aide de mesures portées sur le graphique de la figure 2. Le coefficient de variation est porté en ordon- L néeset laloncueur relazîve de l'ensemble du mélangeur est portée enabscissessur ce graphique, la longueur tota- le du mélangeur étant représentée par plusieurs éléments mélangeurs. C désigne l'écart type mesuré par rapport à la moyenne calculée x d'un mélange obtenu dans un mélangeur statique. L'écart type a par rapport à la moyenne calculée x de l'homogénéité de composants mélangés obtenue dans un mélangeur peut se déterminer par exemple par mesure de la conductivité électrique (voir la revue Technique 51 du Génie Chimique (!979), n 5, pages 353 - 354). La perte de pression A p en mélangeurs statiques déterminée par les mesures obéit pour un écoulement lami- naire à la relation suivante: L A p = 32 z. n. w -2 La grandeur "z" est désignée par: multiple de la perte de pression et représente le rapport de la pression régnant dans un mélangeur statique à celle régnant dans le tuyau vide pour les mêmes viscosité n, vitesse d'écoule- ment w, longueur L et diamètre d du tuyau. Les données géométriques des types I - V de mélan- geurs sont énumérées ci-dessous dans le tableau I. Tableau I Tableau I -30 Type b/d m/d 1/d a I. 0,08 0,15 1,63 450 II 0,1 0,2 0,75 450 III 0,125 0,3 1 45 IV 0,167 0,4 1,5 45t V 0,25 0,5 1,6 45 Les courbes caractéristiques -= f (L/d) se rap- x portantaux types Ià V d'éléments mélangeurs--sont portées-- sur le diagramme de la figure 2. La valeur -x = 102 indique que l'xcart type par rapport a moyenne est de 1 et que l'écart type par rapport à la moyenne est de i % et qu'on peut considérer que le mélange est homogène. Le tableau ci-dessousdonne l'énumération des mesu- res des longueurs relatives du mélangeur pour-x = 10-2 et x les multiples correspondants de perte de pression z pour les types I à V d'éléments mélangeurs. Tableau II Les données précédentes appellent les commentaires suivants: alors que les longueurs relatives des mélangeurs des types II, III et IV ne sont qu'à peine plus grandes que celles dumélangeur de type I, le multiple de perte de pres- sion de ces types de mélangeurs peut par contre être nota- blement réduit par rapport à celui du mélangeur de type I. Il apparaît par ailleurs clairement que la diminu- tion de la perte de pression vis-à-vis de l'augmentation de la longueur relative du mélangeur n'est pas approximati- vement dans le même rapport,comme il était admis jusqu'à présent, mais qu'elle est beaucoup plus forte et marquée. Le type I est d'une structure qui correspond à celle des mo- des de réalisation tels que décrits dans les demandes de brevetsment-onnéesen préambule. En comparant le type V d'élément mélangeur aux types II à IV, on observe que la forte réduction du multi- ple de la perte de pression est liée à une augmentation considérable de la longueur relative du mélangeur et que L l'augmentation de d et la diminution de z vis-à-vis du type I sont approximativement dans le même rapport. L'intéret d'une comparaison de mélangeurs porte sur la perte de pression en fonction du débit pour un même Type L/d z I 8 90 II 9 50 III 10 35 IV 14 20 V 30 16 246840 1 rendement de mélange. La perte de pression et le débit sont mis en relation de manière connue à l'aide de la grandeur dite effet spécifique W, qui est un nombre sans dimension (voir par exemple l'ouvrage de E. Dolling: "Zur Darstellung von Mischvorgângen in hochviskosen FlUssigkeiten",(sur la représentation de processus de mélange dans des liquides fortement visqueux), dissertation de l'Ecole Polytechnique d'Aix la Chapelle, Allemagne, 1971 et l'article de H. BrVnemann et G. John intitulé: "StatischeMischer" (mélan- geursstatiques) dans la revueAufbereitungstechnik de 1972, n 1, pages 16 à 23). L'effet spécifique W est défini par la formule suivante: 1W= = 32zO)2 T1 V Dans cette relation, A p V représente le travail d'écoulement, n, la viscosité et V le flux volumique. Pour un même rendement de mélange, W a la valeur la plus faible pour le mélangeur techniquement optimal. Le tableau III suivant énumère les valeurs éta- blies de l'effet spécifique de mélangeurs pour lesquels les types I, II, III, IV et V d'éléments mélangeurs ont été utilisés. Tableau III Type! W I 184 320 II 129 600 III 112 000 ! IV 125 440 V 460 800 Il ressort du tableau ci-dessus qu'il faut consi- dérer que le mélangeur techniquement-optimal est le dis- positif équipé des éléments du type III, les différences par rapport aux dispositifs équipés d'éléments mélangeurs des types II et IV étant extrêmement faibles et donc on peut considérer que les trois types II, III et IV sont 8 2468401 pratiquement équivalents. Par contre, des différences nettes du coefficient W caractérisent les types I et V et donc ceux-ci sont inutilisables pour apporter la solution au pro- blème posé dans le cadre de l'invention. La découverte surprenante qui est à la base de l'in- vention est fondée sur le fait que la proportionnalité indi- recte, admise jusqu'à présent, entre perte de pression et longueur du mélangeur n'est pas continue, mais qu'il existe une plage d'optimisation de la géométrie des structures connues de mélangeurs statiques dans laquelle ces disposi- tifs ont une longueur relativement faible et provoquent une perte de pression qui est encore admissible du point de vue de la rentabilité. R E V E U D I C A T I O N S 1. Mélangeur statique se composant d'une enveloppe tubulaire dans laquelle est disposé au moins un élément mélangeur se composant de barrettes se croisant et inscri- vant un angle avec l'axe du tube, les barrettes des éléments mélangeurs étant disposées en au moins deux groupes et les barrettes étant sensiblement parallèles à l'intérieur de chaque groupe, les barrettes d'un groupe se croisant avec celles de l'autre groupe, mélangeur caractérisé en ce que le rapport de la largeur maximale des barrettes (b) au dia- mètre du tube (d) est compris entre 0,1 et 0,167, le rap- port de la distance entre barrettes (m) de chaque groupe, mesurée perpendiculairement à ces barrettes, au diamètre du tube (d) est compris entre 0,2 et 0,4 et le rapport de la longueur (1) d'un mélangeur au diamètre du tube (d) est compris entre 0,75 et 1,5. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le rapport de la largeur maximale des bar- rettes (b) au diamètre du tube (d) est égal à 0,1, le rap- port de la distance (m) entre barrettes de chaque groupe, mesurée perpendiculairement à ces barrettes, au diamètre du tube (d) est égal à 0, 2 et le rapport de la longueur (1) d'un élément mélangeur au diamètre du tube (d) est égal à 0,75. 3. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le rapport de la largeur maximale des bar- rettes (b) au diamètre du tube (d) est égal à 0,125 et le rapport de la distance (m) entre barrettes de chaque groupe, mesurée perpendiculairement à celles-ci, au dia- mètre du tube (d) est égal à 0,3 et le rapport de la lon- gueur (1) d'un élément mélangeur au diamètre du tube (d) est égal à 1. 4. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le rapport de la largeur maximale des bar- rettes (b) au diamètre du tube (d) est égal à 0,167 et le rapport de la distance (m) entre barrettes de chaque groupe, mesurée perpendiculairement à ces barrettes, au diamètre du tube (d) est égal à 0, 4 et le rapport de la 2-468401 longueur (1) d'un élément mélangeur au diamètre du tube (d) est égal à 1,5. 5. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'au moins deux éléments mélangeurs sont dis- posés l'un à la suite de l'autre dans le tube ou tuyau, les éléments contigus étant décalés d'un angle de préfé- rence de 90 l'un par rapport à l'autre sur l'axe du tube.