Brevet FR2475977A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne les appareils mélangeurs- pétrisseurs du type fermé. L'appareil mélangeur-pétrisseur du type fermé est un malaxeur à marche discontinue convenant pour le pétrissage de caoutchouc et autres matières plastiques et, notamment, indispensable dans l'industrie de fabrication des pneumatiques pour mastiquer le caoutchouc (le rendre plastique par pétris- sage) ou encore pour le malaxage de charges d'ingrédients de composition à base de carbone ou le mélange d'agents chimiques de vulcanisation. On va maintenant décrire à titre d'exemples certains modes de réalisation préférés de l'invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - Figure 1 est une vue en plan schématique de rotors à deux ailes classiques selon l'art antérieur; - Figure 2 est une vue en plan schématique de rotors à quatre ailes classiques selon l'art antérieur; Figure 3 et 4 sont respectivement des vues en coupe suivant la ligne IIIIII de la figure 1 et suivant la ligne IV-IV de la figure 1; - Figures 5 et 6 sont respectivement des vues en coupe suivant les lignes V-V et VIVI de la figure 2, - Figure 7 est une vue développée illustrant la relation entre un rotor à deux ailes et un cylindre de malaxeur; - Figure 8 est une vue en coupe suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7, - Figure 9 est un diagramme indiquant les degrés de chevauchement d'ailes des rotors à deux ailes classiques; - Figure 10 est un diagramme indiquant les limites qui régissent la forme et l'emplacement de l'aile selon la présente invention, - Figure 11 est un schéma illustrant les mouvements décrits par la matière sur le rotor à deux ailes classique, - Figure 12 est un diagramme illustrant les mouvements décrits par la matière sur le rotor à deux ailes suivant l'invention, - Figures 13 et 14 sont des schémas illustrant les mouvements décrits par la matière dans la zone de communication entre cylindres de malaxeur selon l'invention, - Figure 15 est une vue en plan schématique de rotors réalisés selon l'invention. Les malaxeurs du type fermé comportent usuellement une paire de rotors 1 à deux ailes ou pales dont chacun présente une pale longue 2 et une pale courte 3 comme représenté sur la figure 1, ou une paire de rotors à quatre ailes dont chacun présente deux ailes longues 2 et deux ailes courtes 3 comme représenté sur la figure 2. La charge de matière 5 est soumise à un effet de cisaillement accusé et est fortement pétrie en traversant un interstice étroit(dit de bout d'aile)ménagé entre le bout d'aile 6 du rotor et le cylindre 4 du malaxeur, comme représenté sur les figures 3 à 6, et subit simultanément une micro-dispersion. D'autre part, les ailes de chaque rotor ont une torsion de sens voulu pour pousser la matière vers le centre du cylindre, comme indiqué par des flèches sur les figures 1 et 2, et les vitesses de rotation des deux rotors sont dans un rapport prédéterminé. Grâce à cette structure de rotors et au rapport liant les vitesses de rotation des deux rotors, la matière est malaxée par des effets de pliage et de retournement répétés, ce qui fait progresser son homogénéisa- tion et la macro-dispersion des additifs. Ainsi, les actions de mélange et de pétrissage du mélangeur-pétrisseur du type fermé résultent d'une combinaison d'effets de cisaillement et de brassage. Quant à l'action comparée des rotors à deux et à quatre ailes, celui à quatre ailes, comportant deux fois plus de bouts d'aile que celui à deux ailes, exerce un effet de cisaillement plus accusé et est capable d'assurer en un temps plus bref le pétrissage, ou la micro-dispersion d'additifs. Par contre, le rotor à deux ailes, à bouts d'aile moins nombreux, ménage plus de place que le rotor à quatre ailes dans la chambre de mala- xage et est donc avantageux pour déplacer uniformément et homogénéiser la matière-traitée, ainsi que pour assurer la micro-dispersion d'additifs. Autrement dit, l'accent est mis sur l'effet de cisaillement avec le rotor à quatre ailes et sur l'effet de mélange avec le rotor à deux ailes. Par exemple, les rotors à quatre ailes sont indiqués pour la mastication de caoutchouc naturel et le pétrissage de charges d'ingrédients de compositions à base de carbone, tandis que les rotors à deux ailes conviennent pour la dispersion d'agents de vulcanisation ou autres produits chimiques (préparation de compositions à base de carbone). Les deux modes de malaxage précités propres chacun à l'une des structures de rotor peuvent constituer, selon le cas, un avantage ou un inconvénient. En particulier, dans l'état récent de l'industrie du caoutchouc, il est difficile de venir à bout des effets de durcissement ou de ramollissement provoqués dans la matière par l'introduction d'une grande quantité de charge ou d'huile au moyen d'un seul jeu de rotors à deux ou à quatre ailes. La présente invention a pour objet de résoudre ces difficultés rencontrées suivant la technique antérieure. Plus particulièrement, elle a pour objet de proposer un rotor à deux ailes, pour mélangeur-pétrisseur du type fermé, qui soit doté du haut pouvoir de macro-dispersion (effet mélangeur) propre au rotor à deux ailes et, simultanément, d'un pouvoir pétrisseur (effet de cisaillement) comparable à celui du rotor à quatre ailes, et de ce fait capable de traiter une grande variété de matières. Selon la présente invention, il est prévu un appareil mélangeur et pétrisseur du type fermé comportant, dans une chambre de malaxage, deux rotors à deux ailes juxtaposés, les ailes de chacun des rotors ayant la torsion voulue pour déplacer une charge de matière vers l'intérieur à partir d'une extrémité de la chambre de malaxage, l'une des ailes de chaque rotor ayant une longueur qui est dans un rapport de 0,6 à 0,9 à la longueur totale du rotor et un angle de torsion de 10 à 400, les deux ailes se chevauchant sur une distance dont le rapport à la longueur totale du rotor est de 0,2 à 0,8. L'appareil mélangeur et pétrisseur de type fermé comporte deux rotors juxtaposés qui tournent en sens opposés et sont logés dans des corps cylindriques ou.cyLindres munis de moyens de refroidissement ou de chauffage. Les deux cylindres sont accolés et définissent intérieurement des chambres de malaxage qui communiquent entre elles à travers une zone de jonction. Une charge qui est introduite par une trémie prévue sur la zone-de jonction et d'inter-communication, est refoulée dans les chambres de malaxage du fait qu'elle est mordue par les rotors en rotation et repoussée vers l'intérieur par un poids flottant prévu dans l'ouverture de la trémie, puis subit les effets cisaillants et malaxeurs exercés par les deux rotors dans les chambres de malaxage respectives pour pétrir uniformément la matière ou-assurer la micro- ou macro- dispersion d'additifs. L'effet cisaillant s'exerce principale- ment entre les bouts des ailes des rotors et les parois-des chambres de malaxage,' et est d'autant plus accusé que les ailes sont plus longues ou plus nombreuses. Par ailleurs l'effet de mélange est lié par une relation compliquée à la configuration, à l'angle de torsion et à la longueur des ailes, ainsi qu'au rapport entre les vitesses de rotation des deux rotors, et son intensité dépend de la vitesse à laquelle la matière se déplace dans une grande partie des chambres de malaxage respectives sans stagner à aucun emplace- ment particulier. Après des années d'utilisation et d'étude des malaxeurs du type fermé, -il s'est avéré nécessaire de prévoir dans les chambres de malaxage un espace dans lequel le mouvement de la matière ait lieu aisément, ou d'accroître le débit de matière et la distance parcourue par la matière repoussée axialement le long des pales. Compte tenu de cette nécessité, on s'est livré à des études théoriques quant à la forme et à la configuration à conférer à des rotors à deux ailes capables d'assurer l'excellent effet de mélange propre aux rotors à deux ailes, ainsi que les effets propres aux rotors à quatre ailes, comme exposé ci-dessous. On va maintenant se référer aux figures 7 et 8 qui illustrent, en vue développée et en couper l'effet de malaxage exercé par un rotor à deux ailes. Sur ces figures, les hachures indiquent des zones remplies par la matière à malaxer. Avec la configuration d'aile du rotor à deux ailes t47'59fl classique, l'aile a la torsion voulue pour déplacer la matière vers le centre du rotor, les points initiaux A et C d'ailes opposées étant déphasés de 1800. La disposition avec laquelle le point B de l'aile W1 est décalé de 900 par rapport au point C de l'aile W2 est très rationnelle du point de vue de l'équilibre en rotation du rotor, ainsi que de sa résistance mécanique et de son effet malaxeur; on l'a donc adoptée dans les études exposées ci-dessous. Au cas o les points B et C présentent un décalage supérieur à 900, l'interaction de l'aile W2 sur l'écoulement de la matière longeant l'aile W1 est presque négligeable. Il s'ensuit que les effets cisaillants et malaxeurs de l'aile W1 ne peuvent être expliqués que par la forme de l'aile W1 et conçus comme effets mélangeurs et pétrisseurs d- l'ensemble de l'appareil mélangeur et pétrisseur de type fermé. Les mouvements décrits par la matière sur l'aile W1 comportent un écoulement (à un débit Q1) le long de l'aile W1 et un écoulement (à un débit Q2) en travers du bout de l'aile W1. En outre, de la matière s'écoule le long de l'aile W1, perpendiculairement à l'axe de celle-ci, à un débit Q'1 dans la zone dégagée de l'aile W1. Par assimilation à des écoulements laminaires entre des plaques parallèles consti- tuées par la surface du rotor et la face intérieure du cylindre les débits de matière Q1, Q2 et Q'1 s'expriment par les équations suivantes: S Vo x BF (1) 4Z1/cose1 o S: aire de section de la charge de matière Vo: volume de la chambre de malaxage BF: volume utile du cylindre Q,1: longueur axiale de l'aile la plus longue. Q1.I Vz.S v sin. S .......... (2) o Vz: composante de V le long de l'aile W V: vitesse perpendiculaire à l'axe 2 2y Hc cos *V Uc ú1. (3) o Hc: interstice en bout d'aile Vy: composante de V perpendiculaire à l'aile Wi 1 IV. Ho.aL....................... (4) o Ho = interstice entre le corps de rotor et le cylindre aL = longueur de la zone d'aile dégagée. En vue d'accuser l'effet cisaillant exercé sur la matière, on accroit le débit Q2 ce qui augmente la quantité de matière franchissant le bout d'aile. A cette fin, la valeur de 21 est augmentée attendu que les valeurs de V et Hc sont déterminées par la grandeur de la machine et les conditions opératoires. Comme indiqué sur la figure 9, pour le rotor à deux ailes classique, le degré de chevauchement est inférieur à 0,15 ce qui signifie que la somme des longueurs des deux ailes ( ú1+ 2) est inférieure à 1,15L. Par conséquent, pour obtenir un effet cisaillant plus accusé que celui du rotor à deux ailes classique, on détermine les valeurs de et Z 2de façon que la somme des longueurs des deux ailes soit supérieure à 1,15L et, de préférence, à 1,2L, Autrement dit, il faut que la longueur de l'une des ailes soit supérieure à 1,2L/2 = 0,6L. Par ailleurs, d'après l'expérience antérieurement acquise dans le malaxage de caoutchouc, il faut que la longueur d'une des ailes soit inférieure à 0,9L afin d'éviter une calcination au niveau de l'extrémité du corps du mélangeur. S'il en était autrement, l'aire d'aile dégagée serait rétrécie au point de nuire à l'effet-malaxeur. Ainsi, il faut que les longueurs Q1 et 2 des deux ailes soient comprises dans l'intervalle suivant. + R 0,6 U L que la matière parcourt axialement une plus grande distance. Pour établir un degré suffisant d'effet de mélange, il est nécessaire de déplacer uniformément la matière dans le sens axial. A cette fin, il faut que la partie d'aile dégagée ait une longueur aL qui ne permette pas dans la partie d'aile dégagée, une hausse de pression, au moins sous l'effet de matière s'écoulant parallèlement à l'aile W1, tendant à faire s'écouler la matière vers l'autre aile W2. Autrement dit, il faut satisfaire à la condition Q 1 QI....................................... (6) Par substitution des membres des équations (2) et (4) dans l'équation (6), on obtient ú1 L - aL et donc Sin 2 O1 a(1 - a) Vo x BF o C1 est une constante et C1 5,0 dans le rotor à deux ailes, étant donné les dimensions mécaniques du corps de malaxeur telles que déterminées par les résistances mécaniques nécessaires. Un autre facteur qui influence fortement l'effet mélangeur est la grandeur absolue de Q1 Par expérience et expérimentation, on sait que, pour obtenir un effet mélangeur comparable ou supérieur à celui du rotor à deux ailes classique, il est nécessaire de donner à Q1 une grandeur absolue telle qu'un volume de matière V=S ( L1) cm3 présent sur l'aile W1 puisse franchir la partie 1 d'aile dégagée et atteindre l'autre aile W2 en moins de quatre révolutions du rotor. A cet-ce fin, il faut satisfaire à l'équation (8) ci-dessous. -el' *.1:::"7,t Etant donné que le temps t que prend une révolution du rotor est t = 60/N (N étant le nombre de tr/mn du rotor), V 4t. Q1........ ........................... (8) Par substitution selon l'équation (2) dans l'équation (8), on obtient sin 2 C2... (9) 1 - a 7rD o C2 = 0,5 compte tenu de la résistance mécanique nécessaire..DTD: 1 pour le rotor à deux ailes. Par ailleurs, il faut établir entre le point terminal B de l'aile W1 et le point initial C de l'aile W2 un déphasage d'au moins 90 pour éviter une interaction des deux ailes,de sorte que la longueur d'aile est limitée par l'angle de torsion 61. Attendu que l'angle de torsion 81 de la figure 7 est d'environ 26 pour un rotor à deux ailes, la longueur d'aile est úl' tg 1 R...................................(10) au cas o 81 = 8 = 260, et comme = L - aL et R/L = 1/2 (pour rotor à ailes), l'équation (10) s'écrit: . 1 -.......... (11) 2 tg 1 Les résultats de l'étude ci-dessus montrent que l'on peut éliminer les facteurs nuisibles au mouvement de la matière en façonnant les ailes en sorte que leurs longueurs et angle de torsion satisfassent aux conditions (a) à (d) ci- dessous, ce qui améliore l'effet de mélange par rapport au rotor à deux ailes classique. En outre, on peut améliorer simultané- ment l'effet cisaillant en augmentant la longueur d'aile. Les conditions à satisfaire sont les suivantes: (a) pour améliorer le degré de chevauchement des ailes, Z1,i2 + 2. 1,........................... ( 5) L (b) pour maintenir le tronçon d'arbre dégagé, afin d'assurer l'écoulement axial de la matière, sin 201. Ho. H. 5,... (7) a (1 - a) Vo X BF (c) pour obtenir la grandeur absolue de l'écoulement le long de l'aile, sin 2 0 sin2 L _, 0,5.(9) 1- a wD (d) pour éviter des interactions entre les ailes afin de rendre l'effet de mélange suffisant, a W 1 - _1............. (11) 2 tg e1 Les conditions ci-dessus sont illustrées par le diagramme de la figure 10, sur lequel la zone hachurée 11 indique le domaine répondant à toutes ces conditions. Ainsi, il suffit que l'une au moins des ailes ait un rapport de longueurs 9/L de 0,6 à 0,9,un angle de torsion de 10 à 400 et un degré de chevauchement de 0,2 à 0,8 par rapport à l'autre aile. Il va sans dire que l'effet de malaxage obtenu est plus accusé quand on fait en sorte que les deux ailes aient un rapport de longueurs d'aile de 0,6 à 0,9 et un angle de torsion de 10 à 400. La figure 15 représente en plan des rotors selon la présente invention présentant des ailes qui répondent aux conditions sus-indiquées, ainsi qu'un degré de chevauchement supérieur à 0,6 afin de garantir un effet de cisaillement aussi accusé que possible. La figure 12 est une vue développée des ailes des rotors selon la figure 15. La figure 15 irfdique en une aile, en 40 une zone de jonction et de communication et en OL une longueur de chevauchement. Les sections suivant les lignes A-A et B-B ont les formes indiquées sur les figures 4 et 3 respectivement. Avec des ailes présentant un aussi fort degré de chevauchement, la matière située sur la partie dégagée d'une des ailes est uniformément transmise à l'autre aile, de sorte que la matière peut décrire des mouvements plus importants dans la chambre de malaxage et subit, sous l'effet des ailes de longueurs accrues, un effet cisaillant plus accusé. Par rapport au rotor à deux ailes classique, pour lequel le trajet d'écoulement est indiqué en traits interrompus en 22 sur la figure 11, le rotor selon l'invention est capable de faire emprunter à la matière un trajet d'écoulement plus long, tel qu'indiqué en traits interrompus en 21 sur la figure 12. Si l'on considère les actions réciproques des deux rotors, dont les vitesses de rotation sont dans un rapport préfixé, on notera qu'un effet de malaxage ou de cisaillement apparait dans la zone de jonction et de communication entre les deux chambres de malaxage, en fonction des positions angulaires des rotors telles qu'indiquées sur les figures 13 et 14, à un degré plus fort qu'avec le rotor à deux ailes classique. Plus particulièrement, pour les positions angulaires selon la figure 13, les déplacements axiaux imprimés à la matière par les ailes W1 s'additionnent, les ailes W1 de longueur accrue permettant à la matière de parcourir de A en B une plus grande distance afin de subir, même dans la zone de communication, un degré de malaxage plus accusé qu'avec les rotors classiques. Dans la position selon la figure 14, la matière est pressée entre l'aile W1 et l'aile W2 de l'autre rotor et subit un effet de cisaillement par compression plus fort qu'avec les rotors à deux ailes classiques, du fait que les ailes W1 et W2 ont des longueurs accrues. De cette manière, un malaxeur comportant les rotors à deux ailes selon l'invention exerce de plus grands effets de malaxage et de cisaillement que les rotors classiques non seulement dans les chambres de malaxage, mais aussi dans la zone de jonction intermédiaire, grâce aux interactions entre lAs deux rotors. Ainsi, l'ensemble du mélangeur exerce de grands effets mélangeur et cisaillant ou un grand effet de pétrissage. EXEMPLE On a utilisé un mélangeur-pétrisseur de type fermé (à capacité de 4,3 1), comportant les rotors à deux ailes selon l'invention pour mastiquer du caoutchouc naturel et pour mélanger des ingrédients chimiques dans une composition de carbone. Le tableau 1 indique -les résultats obtenus, comparés à ceux obtenus avec des rotors classiques à deux et à. quatre ailes. TABLEAU 1 f Rotor selon l'invention Rotor à 2 ailes classique Rotor à 4 ailes classique Nombre d'ailes - 2- 2 4 Degré de chevauchement 0,6 0,15 Rapport des aile 0,80 072,67 0,80 0,72 0,67 longueurs longue !d'aile aile d'aile aile 0,80 0,43 0,33 courte. . Angle de torsion ( e1) 22 340 360 4. I3,6 ' angle de torsion ( e2) 220 55 540 Baisse de viscosité rapportée à celle du ro- Mooney (A ML) 1,30 1,00 1,35 torlle du ro- ____ _____,____ _ ailes(1,0) Rendement (A ML/kwh/kg). 1,15 1,00 1,20 Pouvoir de dispersion de produits chimiques 1,00 1,00 3,00 oindre, - -. meilleur) Observations Ces résultats montrent que le rotor selon la présente invention a un pouvoir pétrisseur (effet cisaillant) équivalent à celui du rotor à quatre ailes, un rendement en énergie intermédiaire entre ceux des rotors classiques à deux ailes et à quatre ailes et un pouvoir de dispersion de produits chimiques équivalent à celui du rotor à deux ailes classique. L'expérimentation démon- tre qu'on obtient des effets analogues avec des rotors ayant un rapport de longueurs d'aile de 0,65 à 0,85, un angle de torsion de 15 à 35 et undegré de chevauchement de 0,3 à 0,7, ces intervalles étant ceux narticulièrement préférés selon l'inven- tion. _. 'REVENDICATIONS 1. Appareil mélangeur et pétrisseur du type fermé comportant, dans une chambre de malaxage, deux rotors (1) à deux ailes juxtaposés, caractérisé en ce que les ailes (20) de chacun des rotors (1) ont la torsion voulue pour déplacer une charge de matière vers l'intérieur à partir d'une extrémité de la chambre de malaxage, l'une des ailes (20) de chaque rotor (1), ayant une longueur qui est dans un rapport de 0,6 à 0,9 à la longueur totale du rotor et un angle de torsion de 10 à 40 , les deux ailes (20) se chevauchant sur une distance dont le rapport à la longueur totale du rotor est 0,2 à 0,8. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailes (20) de chacun des rotors (1) ont un rapport de longueurs d'aile de 0,65 à 0, 85, un angle 'de torsion de 15 à 35 et un degré de chevauchement de 0,3 à'0,7,rapporté à la longueur totale du rotor (1) considéré. 3. Appareil mélangeur et pétrisseur du type fermé comportant, dans une chambre de malaxage, deux rotors (1) à deux ailes (20) juxtaposés selon l'une des revendications 1 ou 2, carac- térisé en ce que chacun desdits rotors (1) présente des ailes (20) à torsion voulue pour déplacer une charge de matière vers l'intérieur à partir d'une des extrémités de ladite chambre de mélange, lesdites ailes (20) de chaque rotor (1) satisfaisant aux conditions suivantes: (1) 1, 2 1 + 1,8 L (2) sin 2 2 8 '.-'L (1-u) Vo x BF (3) sin 2 1 L 1 - (4) 1 - 2 tg 1 o Z],?2: longueurs axiales des deux ailes, L: longueur des rotors 1: angle de torsion des ailes Ho: interstice entre le corps de rotor et le cylindre a: rapport de longueur d'une partie d'aile dégagée Vo: volume de la chambre de malaxage BF: volume utile du cylindre D: diamètre du cylindre.