Brevet FR2473901A1 — publié le 19810724

La présente invention concerne un appareil mélangeur comprenant une cuve mélangeuse contenant un agitateur excentré et utilisant également de préférence au moins deux déflecteurs partiels, ladite cuve étant utilisable en particulier, mais non de façon limitée, au mélange de boues à particules en flottation. En général,il est très important de mélanger effica- cement les boues à particules en flottation dans de nombreux processus opératoires, comme par exemple dans la fabrication dcélastomères. Dans un tel processus, des particules de polymère en flottation sous la forme d'une boue aqueuse sont introduites dans un tambour à boue intervenant dans les étages de traitements finals puis dans les extrudeuses de produit. La fonction principale du tambour est de former une boue uniforme et de l'introduire dans les extrudeuses. Le tambour à boue constitue également un tampon d'absorption et d'engorgement entre les étages de polymérisation/de traitement final/d lides. Le mélange de ces particules flottantes constitue également une opération importante pendant d'autres processus chimiques,,par exemple pendant la dissolution de particules de polymère lors du traitement d'additifs pour huiles de lubrification. LeS systèmesutilisésà l'heure actuelle pour mélanger ces boues de particules en flottation comprennent généralement 2une cuve à dé fLecteurs servant à recevoir la boue et contenant des moyens pour assurer l'agitation de la boue,par exemple,un dispositif d'agitation à turbine à une ou plusieurs pales. Théoriquement, de tets systèmes doivent produire des boues homogènes et concentrées en particules, ils doivent empêcher une agglomération de solides dans des zones de la cuve, ce qui pourrait provoquer une obstruction des sorties de cette dernière, et en outre il doit se produire une varia- tion relativement constante de la concentration de la boue transférée vers les extrudeuses lors ce variations du niveau de boue dans La cuve. En fonction de la tendance actuelle aux économies d'énergie, il est également souhaitable que ces systèmes consomment peu d'énergie. Des tentatives faites par Le passé pour créer des systèmes mélangeurs efficaces ont consisté à utiliser des cuves de boue non. pourvues de déflecteurs et comportant un agitateur central destiné à produire un tourbillon central dans la cuve. Cependant,on a trouvé que ces cuves présen- taient différents inconvénients, notamment l'obligation de faire appel à des vitesses de mélange assez élevées, ce qui se traduit par une consommation d'énergie supérieure à la normale et /P ne concentration de particules entre la base du tourbillon et le haut de l'agitateur créant ce tourbillon. Dans les conceptions connues de mélangeurs utilisant des déflecteurs,on a utilisé des déflecteIPrggui s'étendent verticalement sur toute la longueur des parois de la cuve en des endroits espacés et qui s'étendent également radiale- ment sur une distance égale à 1/10/, us du diamètre de la cuve. Ce type de déflecteur s'étendant sur toute la lon- gueur de la cuve élimine la formation de tourbillon et de lorsque turbulence, excepté / la surface du liquide est très pro- che de la partie supérieure de l'agitateur. On connaît également d'autres dispositifs mélangeurs dans lesquels des déflecteurs sont placés sur ou à proximité du fond de la cuve, au centre de la cuve,ou bierannulairement autour de l'agita- teur dans la zone correspondant à la surface du liquide. On a également décrit une combinaison de déflecteurs partiels et d'un agitateur central dans un système mélangeur. Par exempledans le brevet desEUA No 4.150.900 on décrit un système mélangeur perfectionné qui utilise des déflecteurs partiels et un agitateur central dans une cuve mélangeuse. Les déflecteurs partiels décrits dans ce brevet sont constitués par de petites plaques triangulaires ou rectangu- laires qui sont placées dans différentes positions dans la cuve mélangeuse. Ces déflecteurs sont fixés sur la périphérie de la surface intérieure de cuve et ils sont de préférence places juste en dessous du niveau superficiel de liquide. 24739a1 Dans le cas des cuves mélangeuses de niveau variable,on utilise des déflecteurs partiels fixes se présentant sous la forme de plaquettes rectangulaires allongées étroites qui sont placées dans des positions adjacentes à la paroi de cuve et qui s'étendent depuis le niveau maximal de liqui- de jusqu'au fond de la cuve. Lorsqu'on utilise des déflec- teurs triangulaires, on peut déterminer les dimensions de chacun d'eux en prévoyant une branche horizontale qui est comprise entre 10 et 15% du diamètre de cuve et une branche verticale qui est comprise entre 15 et 20% du diamètre de cuve. Lorsqu'on utilise des déflecteurs rectangulaires, on choisit les dimensions de chaque déflecteur de manière que la somme des surfaces des déflecteurs soit égale à la surface totale de quatre déflecteurs de configuration trian- gulaire. Si on utilise quatre déflecteurs partiels de forme rectangulaire, la largeur des rectangles dans la direction radiale doit être approximativement de 2% ou 1/50 du diamètre de cuve. Dans l'article The Suspension of Floating Solids in Stirred Vessels, G.E. H. Joosten et al,Trans.I. Chem.E.55, (22 Juillet 1977), on a décrit un certain nombre d'expérien- ces qui ont été faites en utilisant des récipients à déflec- teurs et sans déflecteurs équipés d'un agitateur central pour déterminer leur influence sur la formation de suspen- sions de particules en flottation dans un liquide. On a trouvé que le régime optimal d'écoulement pour la mise en suspension des particules flottantes consistait à faire tourner rapidement le liquide tout en perturbant sa rotation à l'aide d'un seul déflecteur ayant une largeur égale à fois 0,2 le diamètre du récipient, ce déflecteur étant immergé, depuis la surface supérieure/lquide,jusqu'à une profondeur fois égale à 0, 3/le diamètre du récipients La présente invention concerne un appareil mélan- geur comprenant une cuve cylindrique pourvue d'un dispositif agitateur à turbine à pales et à pompage descendant, l'arbre du dispositif agitateur étant décalé radialement par rapport à l'axe central de la cuve d'une distance 24739'01 comprise entre environ 1/10 et 1/4 du diamètre de cuve. En utilisant un tel agitateur excentré, on a trouvé qu'on pouvait assurer un mélange efficace de boues à particules flottantes tout en'réalisant des économies d'énergie d'environ 38% par comparaison à des agitateurs disposés au centre ou axialement. L'appareil est également équipé d'au moins deux déflecteurs partiels, de préférence de quatre déflecteurs partiels, répartis à intervalles égaux sur la périphérie intérieure de la cuve. De tels déflecteurs partiels sont constitués par des éléments verticaux de forme rectangu- laire ou triangulaire qui sont fixés sur la paroi intérieure de la cuve et qui s'étendent essentiellement depuis le fond de cette cuve jusqu'àLa hauteur maximale de boues dans cette dernière, chaque déflecteur ayant une largeur radiale qui est comprise entre 1/36 et 1/100 du diamètre de cuve. Il est particulièrement avantageux de prévoir quatre déflec- teurs partiels de forme rectangulaire, qui sont répartis à intervalles égaux et qui ont une largeur radiale correspondant à environ 1/50 du diamètre de cuve. Un tel ensemble de déflecteurs partiels permet d'obtenir, en coopération avec un agitateur excentré à pompage descendant, des b88g7s9rées particules qui sont homogènes et dont les caractéristiques ne sont pas notablement modifiées lors de variations du niveau de boues dans la cuve. Egalement un tel appareil permet d'établir une excellente dispersion et une bonne mise en contact de systèmes tels que par exemple des liquides non miscibles, des gaz et des liquidesainsi que des gaz et des boues. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig.1 et 2 sont respectivement une vue latérale et une vue en plan d'un mode préféré de réalisation d'un appareil mélangeur conforme à l'invention,comportant un agitateur excentré et quatre déflecteurs partiels répartis à intervalles égaux; 24?79'01 Fig.3 est une vue en plan d'un appareil mélangeur non équipé de déflecteurs et comportant un agitateur excentré, une série de positions de défLecteurs étant indiquée par des références numériques sur la circonférence de la cuve. Sur les figures 1 et 2,on a représenté un mode préféré de réalisation d'un appareil mélangeur 11 conforme à l'invention, qui comprend une cuve cylindrique 12. Un arbre d'agitateur 13 est disposé axialement dans la cuve et il est décalé par rapport à l'axe de cette dernière, comme indiqué par les lignes en traits interrompus, d'une distance d comprise entre environ 1/10 et 1/4 du diamètre de la cuve. La partie supérieure de /i'g pfteur 13 est reliée1 un moyen d'entraînement en rotation (non représenté), tel qu'un moteur électrique. luneUn ensemble agitateur 14,monté au centre de l'arbre,représenté 'une /façon générale comme comportant quatre pales de turbine à pompage descendant, réparties à intervalles égaux, inclinées d'un angle de 45c comme indiqué et placées dans des positions adjacentes au fond 19 de la cuve. La partie inférieure 13a de l'arbre d 'agitateur peut être totalement supportée dans le fond 19 de la cuve à l'aide d'un palier à action permanente. Le liquide 16 se trouvant dans la cuve peut être maintenu à un niveau constant ou variable. IL est prévu quatre déflecteurs partiels 17 de forme rectan- gulaire, répartis à intervalles de 900 autour de la paroi intérieure de la cuve et comprenant chacun un élément mince et allongé de forme rectangulaire qui est constitué d'un métal, cet élément s'étendant par exemple depuis la hauteur maximale de la cuve jusqu'en un point juste adjacent au fond de cette dernière. Chaque déflecteur 17 est fixé sur la paroi intérieure de la cuve à l'aide de deux consoles 18 ou d'autres moyens classiques d'assemblage qui sont places respectivement en haut et en bas de chaque déflecteur. La largeur radiale de chaque déflecteur 17 est comprise entre environ 1/36 et 1/100 de la largeur de la cuve et elle est de préférence d'environ 1/50 de la largeur de la cuve. Les déflecteurs sont espacés de la paroi d'une distance correspondant à peu près à 1/50 de la largeur de la cuve. Le diamètre de l'ensemble agitateur 14 est compris entre environ le 1/3 et la moitié du diamètre de la cuve. La figure 3 est une vue en plan d'une cuve à boue 12 contenant un agitateur excentré 13 et elle indique égale- ment seize endroits possibles, espacés les uns des autres de 22,5 , de positionnement d 'un ou plusieurs dé- fiecteurs conformément à la présente invention. Ces positions seront décrites de façon plus détaillée en référence aux exemples qui vont suivre. On a trouvé expérimentalement que l'utilisation d'un agitateur excentré dans une cuve telle que celle décrite ci-dessus pour former des boues de particules en flottation permettait d'obtenir des concentrations de boue sortante bien supérieures à celles de cuves équipées d'un agitateur central. Cependant, l'utilisation de l'invention n'est pas limitée à des processus de mélange de boues de particules en flottation et elle est applicable d'une façon générale comme mentionné ci-dessus, à des liquides non-miscibles} ou à des mélanges de gaz et liquides ou à des mélanges de gaz et de boues. En outre, en utilisant l'agitateur excentré conformément à l'invention, à la place d'un agitateur centré, on peut obtenir le même degré de mélange en adoptant des vitesses périphériques extrêmes moins élevées et par conséquent en consommant moins d'énergie. Cette économie d'énergie peut être de 50 à 80%, par comparaison à des agitateurs centraux à turbines multiples/et à des cuves comportant des déflecteurs s'étendant sur toute la longueur et elle peut également atteindre environ 38% dans le cas d'agitateurs à une seule turbine. En utilisant au moins deux déflecteurs partiels qui sont espacés d'intervalles égaux et qui coopèrent avec un agitateur excentré, on améliore encore l'efficacité de mélange. En utilisant quatre déflecteurs partiels répartis à intervalles égaux,on obtient une efficacité optimale de mélange et les variations de la concentration de boue sortante sont relativement faibles lorsque le niveau de la boue augmente. On a également trouvé que la largeur radiale de déflecteur constitue un paramètre ayant une influence impor- tante sur l'efficacité du mélangeur de l'invention. Pour des largeurs comprises entre environ 1/36 et 1/100 du diamètre de cuve, et de préférence de 1/50 du diamètre de cuve,on a obtenu des boues concentrées et homogènes. Pour des largeurs bien supérieures et bien inférieures aux plages précitées, on a obtenu pour la boue des caractéristiques insatisfaisantes. Dans l'appareil mélangeur selon l'invention, on peut utiliser de la même façon des déflecteurs triangulai- res, à condition qu'ils comportent des surfaces d'étendue équivalente à celles des déflecteurs partiels rectangulaires décrits ci-dessus. Pour définir plus complètement la présente invention, on a donné dans la suite des exemples qui n'ont cependant aucune influence limitative sur l'invention. EXEMPLE 1 Dans cet exemple, et dans les exemples suivants-, on a utilisé une cuve de 0,9 m de diamètre, comportant un fond plat, constituéede Plexiglas et d'une hauteur de 1,8 m. On a monté une turbine d'un diamètre de 0,3 m comportant quatre pales d'une largeur de 54 mm, inclinées de 450 et à pompage descendant, sur un arbre d'agitateur orienté verticalement et décalé par rapport à l'axe de la cuve d'une distance de 90 mm(1/10 du diamètre de cuve). On a employé pour assurer l'entraînement de l'agitateur un moteur électrique d'une puissance de 3 CV, pouvant entraîner en rotation l'agitateur, par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse,à des vitesses pouvant atteindre 260 t/mn. On a supporté l'arbre d'agitateur sur le fond de la cuve par l'intermédiaire d'un palier fixe. On a réparti quatre déflecteurs, ayant chacun une largeur égale à 1/50 du diamètre de cuve, à intervalles égaux sur la périphérie intérieure de la cuve, en les espaçant de la paroi de cuve d'une distance égale à 1/50 du diamètre de cuve. Cet agencement est représenté sur les figures 1 et 2. On a incorporé à l'arbre un transducteur de couple Vibrac TQ-5120 (gamme 0-3,6 m.kg) pour la mesure du couple. L'appareil TQ-5120 a été également équipé d'un transducteur magnétique de vitesse produisant 60 impulsions par révolution d'arbre. Cette valeur a été traduite en tours/minute à l'aide d'un fréquencemètre. On a relié une sortie de boue, placée à 127 mm au-dessus du fond de la cuve, à l'entrée d'une pompe à l'aide d'un tuyau de 25mm de diamètre. On a relié la sortie de la pompe à La cuve de façon à établir une boucle de recyclage. Dans tous les exemples, on a utili sé une boue contenant 4% en poids de granules de polypro- pylène de 3,2 mm dans de l'eau. On a mesuré La concentra- tion de la boue sortante par des prises d'échantillons effectuées dans la bouclcîe recyclage débouchant dans la cuve. On a filtré des granules de chaque échantillon et - on les a pesés et en outre on a mesuré le volume d'eau pour déterminer la concentration de l'écoulement sortant. Dans cet exemple,on a effectué une comparaison des caractéristiques de mélange entre l'agitateur excentré etun agitateur centré utilisé dans la même cuve et comportant le même pas et la même largeur de pales que l'agitateur excentré. On a adopté pour les deux types d'agitateur des vitesses de 200 et de 225 t/mn. On a déterminé les concentrations de la boue sortante pour les deux agitateurs en l'exprimant par le pourcentage de concentration apparente pour différents niveaux de boue dans la cuve, mesurés par le pourcentage (%) de la hauteur totale de la cuve. Les résultats sont donnés au tableau 1 ci-dessous. TABLEAU 1 Niveau de boue CONCENTRATION DE BOUE SORTANTE(% de % de La hauteur concentration apparente) (% de la hauteur agitateur agitateur excentré totale) centré vitesse(t/mn2 vitesse(t/mn) 225 - 200 225 48 56,1 65,6 71,3 74,2 98 37,9 50,3 58,0 61,8 Z473901 Comme l'indique le tableau 1,l'agitateur excentré a permis d'obtenir des concentrations de boue sortante plus élevées, pour chaque niveau de boue que celles obtenues avec l'agitateur centré. En outre, la variation de la con- centration de boue sortante pour une variation du niveau de boue a été plus faible pour l'agitateur excentré que pour l'agitateur centré. On a ensuite déterminé les vitesses d'agitateur nécessaires pour établir une concentration de boue sortante égale à 60% de la concentration apparenteà la fois pour l'agitateur centré et pour l'agitateur excentré. On a trouvé que, pour obtenir le même degré de mélange, il fallait faire tourner l'agitateur excentré à des vitesses plus basses que l'agitateur centré. La différence entre ces vitesses a diminué à mesure que le niveau de boue a augmenté. Pour la conception de cuves décrite ci-dessus,le niveau maximal de la boue a été de 93%, ce qui correspond à une réduction de vitesse de 14% entre l'agitateur excentré et l'agitateur centré. Cela permet de réaliser des économies d'énergie d'environ 38%. EXEMPLE 2 Dans cet exemple, on a déterminé la concentration de la boue sortante, mesurée par le pourcentage de la concentration apparente, pour un niveau de boue de 83%, en utiLisant la cuve et l'ensemble des déflecteurs décrits dans l'exemple 1, excepté que l'on a utilisé un ensemble agitateur comportant une turbine à pales de 38 cm de diamètre, l'arbre d'agitateur étant décalé d'une distance égale à 0,225 fois le diamètre de cuve. On a adopté pour l'agitateur des vitesses de 125 et 150 t/mn. Le tableau 2 donne un résumé des résultats. TABLEAU 2 VITESSE D'AGITATEUR CONCENTRATION DE BOUE SORTANTE (t/mn) (% de concentration apparente) 66 76 Comme le montre le tableau 2, on a obtenu de hautes concentrations pour la boue sortante pour chacune des vitesses en utilisant un agitateur excentré d'une distance correspondant approximativement au 1/4 du diamètre de cuve. EXEMPLE 3 Dans cet exemple, on a réparti une série de quatre déflecteurs partiels espacés d'intervalles égaux, comme indi- qué sur la figure 1, autour de la paroi intérieure de la cuve dans les positions suivantes indiquées sur la figure 3: Série A - positions 1, 5,9 et 13 Série B - positions 2, 6, 10 et 14 Série C - positions 3,7, 11 et 15 Série D - positions 4,8, 12 et 16 Dans chaque série, on a fait varier la largeur de déflecteur en lui donnant des valeurs respectives de 1/36, 1/50 et 1/100 du diamètre de cuve, c'est-à-dire de 9 mm, 18 mm et 25 mm. On a fait tourner l'agitateur excentré à des vitesses de 200 et 225 t/mn. On a déterminé pour chaque largeur de déflecteur de chaque série les concentrations de la boue sortante,mesurées par le pourcentage de concentration apparente. Le niveau de boue a été de 100% de la hauteur totale de cuve. Le tableau 3 ci- après donne le condensé des résultats. Comme le montre le tableau 3,des largeurs de déflec- teur allant de 1/36 à 1/100 du diamètre de cuve ont permis d'obtenir, en coopération avec un agitateur excentré,un mélange efficace. Cependant, il est particulièrement avanta- geux de donner au déflecteur une largeur correspondant à 1/50 du diamètre de cuvepuisqu'on obtient pour cette valeur de plus fortes concentrations de la boue sortante aux vitesses utilisées. Les positions des déflecteurs n'ont pas fait varier les concentrations de la boue sortante dans des proportions importantes. EXEMPLE 4 Dans cet exemple, on a mesuré l'influence du niveau de la boue sur la concentration à la sortie en utilisant respecti- vement deux -, quatre déflecteurs partiels avec un agitateur excentré, comme indiqué sur la figure 1, 247390 1 1 1 ces déflecteurs ayant une largeur radiale égale à 1/50 du diamètre de cuve. Pour chaque agencement de déflecteurs, on a fait monter le niveau de/boue respectivement jusqu'à 28%, 46% et 100% de la hauteur totale de cuve et on a mesuré les concentrations de la boue sortante pour des vitesses d'agitateur de 200 et 225 t/mn. Le tableau 4 donne un condensé des résultats. Avec deux déflecteurs,la concentration de la boue sortante a augmenté depuis environ 20% jusqu'à 90% de la concentration apparente lorsque le niveau de boue a monté d'environ 30% à 100%. Avec quatre déflecteurs,la concentration de la boue sortante a diminué d'environ % à 60% pour la même plage de niveaux de boue. Cela montre qu'un ensemble à quatre déflecteurs est préférable à un ensemble à deux déflecteurs pour des boues à particules flottantes du fait de la variation relativement faible de la concentration de la boue sortante lors d'une variation de son niveau dans la cuve. TABLEAU 3 concentration apparente en utilisant quatre detlecteurs Série A Série B Série C Série D vitesse Largeur de déflecteur largeur de déflecteur Largeur de défLec- Largeur de déflec t/mn (mm) (mm) teur (mm) teur (mm) 9 18 25 9 18 25 9 18 25 9 18 25 225 37,0 54,8 22,3 46,8 65,3 32,5 46,0 58,8 24,0 45,8 61,8 37,0 260 49,5 71,3 45,8 49,8 56,0 52,8 p1,8 64,5 41,0 51,8 61,0 46,3 TABLEAU 4 Concentration de la boue sortante (% de concentration apparente) vitesse d'a- 2 déflecteurs 4 déflecteurs gitateur niveau de boue (% de hauteur niveau de boue (% de hauteur totale de cuve) t/mn totale de cuve) 28 46 100 28 46 100 19,5 41,8 72,3 74,5 71,3 58,0 225 35,5 89,0. 74,3 61,8 Concentration de la boue sortante,exprimée par le pourcentage de NI ru o à REVENDICATIONS 1. Appareil mélangeur,caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une cuve cylindrique (12); (b) un arbre d'agitateur (13) monté en rotation dans ladite cuve et décalé radialement par rapport à l'axe de la cuve d'une distance comprise entre environ 1/10 et 1/4 du diamètre de cuve; (c) un ensemble de turbine à pales (14), monté au centre dudit arbre (13); (d) au moins deux déflecteurs (17) montés sur la paroi intérieure de ladite cuve (12). 2.Appareil mélangeur selon la revendication 1,caractérisé en ce que lesdits déflecteurs (17) ont une largeur radiale comprise entre environ 1/36 et 1/100 du diamètre de cuve. 3. Appareil mélangeur selon la revendication 2,caractérisé en ce que lesdits déflecteurs comprennent des éléments rectangulaires ayant une largeur radiale correspon- dant à environ 1/50 du diamètre de cuve. 4. Appareil mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que chaque déflecteur(17)est espacé de la paroi intérieure de la cuve (12)'une distance égale à 1/50 du diamètre de cuve. ang rr 5. Appareil/eon une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce qu'il comprend quatre déflecteurs 17 espacés d'intervalles égaux. 6. Appareil mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que la cuve (12) est agencée pour recevoir de la boue (16) jusqu'à un niveau prédéterminé dans ladite cuve et en ce que lesdits déflecteurs (17) s'étendent essentiellement depuis le fond (19) de la cuve jusqu'audit niveau prédéterminé. 7.Appareil mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est prévu quatre déflecteurs rectangulaires (17) espacés d'intervalles égaux. 8. Appareilmnlangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,caractérisé en ce que ledit ensemble de turbine à pales comprend quatre pales (15) à et pompage descendant, réparties à intervalles égaux/ayant chacune un angle de pas de 450. 9. Appareil mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1,2 et 4 à 7,caractérisé en ce que chacun desdits déflecteurs (17) a une forme triangulaire.