Brevet FR2473352A1 — publié le 19810717

La présente invention concerne un mélangeur en continu doté d'un excellent pouvoir mélangeur. L'invention est illustrée, à titre d'exemples non limi- tatifs aux dessins annexés sur lesquels Figure 1 est une vue schématique en coupe permettant de comprendre l'effet exercé par un mélangeur à arbre unique selon l'art antérieur. Figure 2 est un diagramme indiquant, pour ce même mélan- geur, la répartition de la contrainte de cisaillement. Figure 3 est une vue en coupe verticale longitudinale d'un mélangeur en continu selon un mode de réalisation de la présente invention. Figure 4 est une vue en coupe horizontale longitudinale du mélangeur selon la figure 3. Figure 5 est une vue en coupe agrandie prise suivant la ligne V-V de la figure 3. Figure 6 est un diagramme indiquant la répartition de la contrainte de cisaillement dans le mélangeur en continu selon la présente invention. Généralement, pour mélanger des substances à haut poids moléculaire telles que des résines synthétiques, on utilise largement des mélangeurs en continu comportant, à l'intérieur d'une chambre 1, un arbre mélangeur 2 muni d'une pièce mélan- geuse (palette) 3 ayant une section ovale telle que représentée sur la figure 1. Dans ce type de mélangeur, les tranches latérales 4 de la palette 3 ont une torsion en hélice de pas préfixé et, quand l'arbre mélangeur 2 tourne, la charge de matière subit un chauffage, une fusion et un brassage sous l'effet de cisaillement qui s'exerce entre la palette 3 et la chambre 1. Dans ce cas, la matière subit le maximum de cisail- lement lorsqu'elle traverse les interstices latéraux 5 définis entre les tranches latérales 4 et la surface intérieure de la chambre 1. mélangeur Par conséquent, le pouvoir/d'un mélangeur de ce genre est déterminé par l'effet de cisaillement et particulièrement par l'efficacité avec laquelle cet effet s'exerce, c'est-à-dire par la vitesse de cisaillement établie dans chaque interstice laté- ral 5. - Or, si l'on considère le pouvoir mélangeur d'un mélangeur à arbre unique, en appelant h: le jeu radial 5 (en mm) séparant la palette 3 de la surface intérieure de la chambre 1, D: le diamètre intérieur (en mm) de la chambre 1, et N: la vitesse de rotation (en tr/mn) de la palette 3, la vitesse de cisaillement y du mélangeur est: _ =.D.N. (s.l)............. (1) h x 60 D'après l'équation (1), on voit que plus le jeu h est faible, plus la vitesse de cisaillement y est grande. De plus, le pouvoir mélangeur précité est aussi grandement influencé à la fois par l'effort de cisaillement T que la palette 3 applique à la matière et par la contrainte de cisail- lement SS appliquée à la matière en tant qu'énergie de déforma- tion. Ici, si l'on appelle v la viscosité de la matière (en kg X s/cm2), l'effort de cisaillement est donné par l'expression: T = p.y (kg/cm2)..... ... -(2)..DTD: En outre, si MT est le temps de malaxage (en s), la con- trainte de cisaillement SS est donnée par l'expression: SS = X. MT (kg. s/cma).......... (3) D'après les équations (2) et (3), on voit que l'effort de cisaillement T et la contrainte de cisaillement SS sont déterminés par la vitesse de cisaillement y, la viscosité p de la matière et le temps de brassage MT. De toute façon, la vitesse de cisaillement y constitue un facteur important. D'autre part, entre deux passages consécutifs de la palette 3 par le point A, c'est-à-dire pendant une révolution de la palette, la matière subit une contrainte de cisaillement SS dont la répartition est représentée sur la figure 2, sur laquelle la référence alphabétique L désigne l'emplacement de la largeur de la tranche latérale de palette. Comme on le voit clairement d'après la figure 2, la contrainte de cisaillement SS atteint, pendant que la matière traverse l'interstice latéral 5, une valeur maximale qui représente environ la moitié de la contrainte de cisaillement totale subie par la matière. Ici, si l'interstice latéral 5 a une hauteur Ct (mm), la valeur maximale de la vitesse de cisaillement, y max s'établit,d'après l'équation (1), comme suit y max = r.D.N (s.)........ (4) Ct x 60 D'après les équations (2) et (3), la valeur maximale de la contrainte de cisaillement SSmax par temps de brassage unitaire MTo (en s) est: S =i. 'MTo.......... (5) Max Max D'après l'équation (5), on voit que la valeur maximale de la contrainte de cisaillement SSmax est déterminée par la valeur maximale de la vitesse de cisaillement y max. De plus, il est clair d'après l'équation (4) que plus la hauteur Ct de l'interstice latéral est faible, plus la valeur maximale de la vitesse de cisaillement y devient grande. max Toutefois, si la largeur t de la tranche latérale 4 diminue, la contrainte de cisaillement maximale SSmax apparaît sur une largeur plus faible et la grandeur de la contrainte de cisaillement diminue même si la hauteur Ct de l'interstice latéral 5 se trouve réduite, ce qui s'oppose à toute améliora- tion du pouvoir mélangeur. En outre, au cas o la hauteur t de l'interstice latéral 5 est trop faible, le franchissement de cet interstice devient parfois difficile, selon la nature de la matière. Si par contre la largeur t de la tranche d'ex- trémité 4 est trop grande, un brassage adéquat devient difficile du fait d'une surcharge de l'arbre mélangeur ou d'un dégagement de chaleur anormal. Il ressort clairement de l'exposé qui précède que, outre la valeur de la vitesse de cisaillement maximale y, la largeur de la tranche latérale 4 et la hauteur Ct de l'interstice latéral 5 constituent des facteurs importants qui déterminent l'efficacité du mélangeur du type considéré. D'autre part, le mélangeur en continu classique du type à deux arbres comportant deux arbres mélangeurs juxtaposés dans une chambre, assure -un mélange plus efficace,avec un temps de mélange plus bref, que le mélangeur à arbre unique décrit ci-dessus. Toutefois, pour les mélangeurs en continu du type à deux arbres classiques, il est usuel de fixer la vitesse de cisail- -.1 lement maximale Y max à environ 1.000-1.800 (s) et de donner à-la largeur ú de la tranche latérale une valeur 1 à 2,5 fois supérieure à la hauteur C de l'interstice latéral. De tels mélangeurs en continu du type à deux arbres classiques s'avèrent assurer efficacement le mélange de résines de types courants, mais sont inaptes à mélanger efficacement certaines résines spéciales récemment mises au point. Plus particulièrement, par suite de progrès récemment accomplis dans l'industrie des résines synthétiques, on en est venu à utiliser à diverses fins des résines synthétiques isolément ou sous forme de mélanges de polymères constitués par deux ou plusieurs résines synthétiques ou par une matière composite mélangée avec divers additifs. Lors du mélange de résines spéciales de.cette nature, on a constaté que les mélangeurs en continu du type à deux arbres classiques sont inaptes à assurer un degré de mélange suffisant. En particulier, il est difficile d'assurer un effet de mélange satisfaisant avec des mélangeurs en continu du type à deux arbres classiques précité lors du mélange de copolymères séquences de polypropy- lène ou lors d'une opération de brassage o l'effet prépondé- rant est celui d'homogénéisation (par exemple l'opération de' brassage destinée à éliminer les bulles superficielles de polyéthylène haute pression), lors d'une opération de brassage. exigeant un effet de mélange ou de combinaison comme c'est le cas dans la préparation d'un mélange de polymère d'une résine oléfinique et de caoutchouc ou d'un élastomère ou d'un composé d'une résine oléfinique et de noir de carbone, ou lors d'une opération de mélange de chlorure de polyvinyle ou analogue impliquant des améliorations des propriétés physiques. Pour remédier à ces insuffisances, la présente invention propose un mélangeur en continu du type à deux arbres dans lequel on donne à chaque tranche latérale une valeur 4 à 6 fois supérieure à la hauteur de l'interstice latéral et l'on fixe l1 la vitesse 'de -cisaillement maximale 'à 30-0-500 (s) afin d'assurer un excellent effet mélangeur, même pour les résines spéciales précitées. On va maintenant décrire un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant aux figures 3 à 6. On voit en 10 un mélangeur qui présente à ses extrémités opposées une entrée 20 et une sortie 30 et qui comporte inté- rieurement une chambre à section en forme de binocle, destinée à recevoir deux arbres mélangeurs parallèles 40. Chaque arbre mélangeur 40 présente, à partir de l'extrémi- té d'entrée du mélangeur, un tronçon d'avance 41, un tronçon de mélange 42 et un tronçon d'évacuation 43. Le tronçon d'avance 41 se présente sous la forme d'une vis et le tronçon de mélange 42 constitue une palette mélangeuse,/ section ovale, qui présente une torsion de même sens que celle de la vis de son extrémité initiale jusqu'à un point médian et une torsion de sens inverse depuis le point médian jusqu'à son extrémité terminale, contiguë au tronçon d'évacuation 43. Le tronçon d'évacuation 43 constitue une palette rectiligne ayant la même section que le tronçon mélangeur 42. En regard des tronçons homologues des arbres mélangeurs, la chambre présente des sections d'avance 11, de mélange 12 et d'évacuation 13 qui se succèdent axialement en continu. En coupe transversale, les sections jumelées juxtaposées communiquent en outre l'une avec l'autre. A la sortie 30 est ménagé un orifice muni d'un clapet 5 destiné à ajuster sa section de passage. Dans ce mélangeur en continu à deux arbres, la matière chargée dans le mélangeur 10 à travers l'entrée 20 avance jusqu'aux sections de mélange 12 sous l'effet des tronçons d'avance 41 des arbres mélangeurs en rotation 40 et, après avoir été brassée par les palettes 42 dans les sections de mélange 12, elle sort de la machine sous l'effet des tronçons d'évacuation 43, à travers la sortie 30. Selon l'invention et comme illustré sur la figure 5, dans les sections de mélange du mélangeur en continu à deux arbres décrit ci-dessus, on donne à la largeur t des tranches 44. délimitant latéralement les palettes 42,une valeur de 4 à 6 2 2473352- fois supérieure à la hauteur C des interstices latéraux 45- ménagés le long de la surface intérieure de la section de mélange 12 et, selon l'équation (4), la vitesse maximale de cisaillement y max dans cet interstice est fixée à y max =.D. N Ct x 60 ymax = 300 - 500 (s_. Avec ces valeurs pré établies, au cours d'une révolution des palettes 42 dans les sections de mélange.12, la matière subit une contrainte de cisaillement SS ayant la répartition indiquée sur le diagramme selon la figure 6 qui correspond au diagramme selon la figure 2. Sur la figure 6, la courbe en traits mixtes correspond au mélangeur classique et la courbe en trait plein au mélangeur selon l'invention. Comme le montre clairement la figure 6, selon la présente' invention, la valeur maximale de la contrainte de cisaillement demeure plus faible que pour le mélangeur classique, le temps pendant lequel la matière subit cette contrainte maximale étant par contre augmenté du fait que la largeur de tranche est portée de L à L'. Autrement dit, la présente invention assure un effet de cisaillement d'intensité moyenne, mais de durée prolongée, alors que dans les mélangeurs classiques, cet effet est intense et bref. Bien que la grandeur totale de la contrainte de cisaillement soit sensiblement la même dans les deux cas, la structure selon la présente invention supprime -25 le risque de surcharge des arbres mélangeurs et de dégagement de chaleur anormal. Le mélangeur en continu selon l'invention ayant la struc- ture décrite ci-dessus, qui fait apparaître dans l'interstice latéral un effet de cisaillement d'intensité moyenne et de durée prolongée, assure d'excellents résultats, notamment pour le mélange de résines spéciales telles que celles citées plus haut. En effet, il assure une homogénéisation complète lors du brassage de copolymèresséquencés de polypropylène et élimine aisément les bulles lors du brassage de polyéthylène haute pression. En outre, lors du brassage destiné à préparer un mélange polymère d'une résine oléfinique et de caoutchouc ou d'un élastomère, ou un composé d'une résine oléfinique et de 2473352- noir de carbone ou analogue, il permet de rendre uniforme la répartition de la matière afin d'assurer un effet de mélange ou de combinaison accusé. Lors du mélange de chlorure de polyvinyle, il est possible de rendre la dureté uniforme par répartition uniforme d'un plastifiant. Comme exposé ci-dessus, la présente invention assure un excellent effet de brassage pour des résines spéciales auxquelles il est difficile de faire subir un degré de brassage suffisant dans les mélangeurs classiques et contribue à amélio- rer les propriétés physiques et la qualité de diverses résines. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limita- tive et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATION 1. Mélangeur en continu comportant, dans une chambre qui présente à ses extrémités opposées une entrée (20) et une sortie (30) de matière, deux arbres mélangeurs juxtaposés (40) dont chacun présente un tronçon d'avance (41), un tronçon mélangeur (42) et un tronçon d'évacuation (43), caractérisé en ce que ledit tronçon mélangeur présente des tranches latérales (44) dont la largeur (t) est 4 à 6 fois supérieure à la hauteur (Ct) de l'interstice ménagé entre ces tranches et la paroi de ladite chambre, et en ce que la vitesse de cisaillement m1 maximale est comprise entre 300 et 500 s-