Brevet FR2493732A1 — publié le 19820514

La présente invention concerne un procédé de pré- paration aérodynamique d'aérosols liquides et solides dis- persés. Les aérosols dispersés susdits trouvent de larges applications dans des branches variées de l'économie natio- nale. C'est ainsi qu'on utilise des aérosols liquides dis- persés en médecine pour le traitement d'affections diverses par inhalation. On emploie des aérosols de ce type dans l'art vétérinaire pour la désinfection des locaux d'exploi- tation. L'activité des aérosols liquides dépend de leur dé- gré de dispersion et de leur stabilité, ce qui est fonction du mode de préparation des aérosols dispersés liquides. Dans un certain nombre de branches d'industrie chimique, alimentaire, dans l'industrie des matériaux de constructions, etc., il est indispensable de mettre en oeu- vre des matériaux finement et très finement broyés, comme des sels minéraux, des charges, des colorants, des pigments, des résines échangeuses d'ions. On isole ces matériaux fine- ment et très finement dispersés à partir d'aérosols solides dispersés. Le degré de dispersion des particules solides dépend également du procédé de préparation des aérosols soli- des dispersés. Il existe des procédés variés de préparation d'aé- rosols liquides et solides dispersés. On connait notamment un procédé de préparation d'aérosols liquides dispersés au moyen d'ultrasons (cf.O.K. Eknadiosiants " Les fondements physiques de la technologie des ultrasons " (en russe), Moscou, Ed. " Nauka ", 1970). Dans la réalisation de ce procédé, on admet un jet (une pellicule) de liquide sur l'élément oscillant d'un générateur à magnétostriction, autrement dit on applique au liquide des oscillations de fréquence ultrasonore. L'effet des ultrasons entraîne l'arrachement des gouttelettes iso- lées à partir des crêtes de micro-ondes. Ce procédé permet de réaliser une gamme de disper- sion étroite de l'aérosol dont les particules sont comprises dans les limites de 1 à 4,8 microns. Toutefois, ce procédé ne trouve pas de larges applications car il ne permet d'ato- miser que des liquides ayant une faible viscosité. En outre, pour la réalisation de ce procédé, il faut mettre en oeuvre des générateurs d'ultrasons spéciaux qui sont très onéreux (le coût de l'atomisation d'un liquide par les ultrasons dépasse de 3 à 5 fois celui de l'atomisation par des procé- dés pneumatiques ou mécaniques). Dans le procédé aérodynamique de préparation d'aérosols liquides dispersés, la dispersion du liquide est une consequence de la mise en contact dynamique de l'écou- lement d'un liquide avec un écoulement de gaz (cf. L.A. Vit- man I L'atomisation des liquides dans des injecteurs " (en russe), Moscou, 1.962, D.G. Pazhi, V.S. Galustov " les atomiîseurs de liquides "ô (en russe)s, oscou, 1979 On 0 ap- plique le procédé de manière que le courant de gaz sorte de la buse à une vitesse d'écoulement élevée de 150 à 300 m/s, alors que la vitesse d'écoulement du liquide reste mo- dérée. Plus la différence des vitesses d'îcoulement du gaz et du liquide est élevée, plus le degré de dispersion du 1i- quide est considérable. On obtient en définitive des aéro- sols liquides dispersés sur une gamme de dispersion très étendue ( de 1,0 à 100 microns). Ce procédé exige une très forte consommation d'énergie, ne permet pas de disperser des liquides très visqueux. En outre, ce procédé exige la mise en oeuvre de pompes à liquides spéciales pour le re- foulement du liquide. On connaît encore un autre procédé de préparation d'aérosols liquides dispersés par atomisation d'un liquide au moyen d'un jet de gaz en présence de particules ferro- magnétiques solides ( certificat d'auteur de L'URSS no 387 570). D'après ce procédé, on introduit dans un liquide des particules ferromagnétiques, puis on fait passer le mélange à travers la zone de fonctionnement d'un champ élec- tromagnétique alternatif. Les particules ferromagnétiques en se déplaçant dans le sens des lignes de force électroma- gnétiques séparent l'écoulement continu de liquide en élé- ments détachés qui sont ensuite transportés par le jet de gaz atomiseur, sont dispersés à nouveau et sont entraînés. Au cours de la dispersion d'un liquide par ce pro- cédé, il y a inévitablement un entraînement partiel des par- ticules ferromagnétiques avec le liquide atomisé. Cela li- mite sérieusement les possibilités d'utilisation du procé- dé ( la présence de particules solides mélangées est inad- missible lorsqu'on prépare des aérosols liquides dispersés employés notamment en médecine, dans l'art vétérinaire). Le degré de dispersion moyen modéré des particules d'un liquide à disperser ( à atomiser)ainsi que la nécessité de mettre en oeuvre des systèmes compliqués pour l'organi- sation des champs électromagnétiques limitent les applica- tions du procédé. Parmi les procédés connus de préparation d'aéro- sols solides dispersés, le plus avancé est le procédé aéro- dynamique. Il repose sur la mise-en contact d'un jet de gaz avec des particules solides, qui sont aspirées à l'em- bouchure du jet puis qui sont acheminées par le jet gazeux jusqu'à leur impact contre un obstacle, étant entendu par ailleurs qu'au cours du mouvement des particules a lieu une attrition mutuelle des particules entre elles ainsi qu'une attrition avec les parois de l'appareil ( V.I. Akunoc I Les broyeurs à jets " ( en russe), Moscou, 1967; P.M. Sidenko, n Le broyage dans l'industrie chimique"( en russe), Moscou 1977). Ce procédé est réalisé dans les broyeurs à jets à chambre de mouture plane, verticale ou à contre-courant. Dans la préparation d'aérosols solides dispersés par le procédé par jets, il se passe le phénomène suivant: 1) Une faible impulsion d'impact des particules au cours de leur percussion contre l'obstacle. Cela s'ex- plique par le fait que l'accélération des particules a lieu dans un écoulement gazeux divergent. Il s'ensuit donc une chute de la vitesse des particules, et les particules ac- quièrent une faible vitesse cinétique. De ce fait, la réa- lisation du procédé dépend de la dureté des matériaux à broyer de départ. 2) Un degré d'usure élevé des accélérateurs pneu- matiques utilisés dans le broyage par jets à contre-courant étant donné que l'aérosol dispersé solide se déplace rela- tivement aux parois de l'appareil à grande vitesse et cons- titue un abrasif hautement efficace. 3) Par la réalisation dudit procédé, on obtient des aérosols dans une large gamme de dispersion, dans la plupart des cas de 2 à 10 microns et parfois la limite de dispersion supérieure atteint 30 microns alors que la limi- te inférieure descend jusqu'à 1 micron. Cela s'explique par la faible énergie cinétique au moment de la collision des particules solides avec un obstacle et par la faible proba- bilité de collision desdites particules entre elles. On s'est donc proposé de créer un procédé aérody- namique de préparation d'aérosols liquides et solides dis- persés qui permette de les obtenir dans une gamme de dis- persion étroite à dimensions des particules inférieures à 1 micron, avec des consommations d'énergie minimales et qui permette, d'autre part, de régler le degré de dispersion. La solution de ce problème consiste en ce que dans le procédé aérodynamique selon l'invention de prépara- tion d'aérosols liquides et solides dispersés par mise en contact des particules à disperser liquides ou solides avec un jet de gaz et avec transport subséquent desdites particu- les par un courant gazeux jusqu'à leur impact avec un obsta- cle, suivant l'invention, on soumet ledit jet de gaz trans- portant les particules liquides ou solides à un resserrement symétrique par des jets de gaz dont la vitesse d'écoulement dépasse de 1,2 à 20 fois la vitesse d'écoulement du jet de gaz transportant les particules liquides ou solides, les jets de gaz étant orientés symétriquement de manière à obte- nir, sous un angle de 30 à 90 , leur convergence homocentri- que sur l'obstacle. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, le procédé revendiqué consiste en ce que l'on soumet le jet de gaz principal portant le liquide à disperser ou la phase soli- de à broyer à un resserrement symétrique par des jets de gaz afin d'obtenir une convergence homocentrique de leurs composantes axiales dans un point unique o l'on met en place un obstacle solide, caréné, par exemple, une sphère, un cylindre, un disque massif d'acier. Dans ce cas, il y a une transformation de l'énergie cinétique du jet de gaz prin- cipal contenant des particules liquides ou solides avec ac- tion subséquente percutante sur les particules solides ou liquides à disperser dé la part de l'obstacle solide. Le jet de gaz s'écoule à une vitesse de 10 à 100 m/s et atomise le liquide ou accélère les particules soli- des que l'on admet dans la zone d'écoulement des gaz. Ensuite, au cours du transport des particules solides ou liquides par le jet de gaz (écoulement vecteur) on soumet ledit jet à un resserrement symétrique par des jets de gaz dont la vitesse d'écoulement est de 100à 320 m/s. Les composants axiales desdits jets convergent en un seul point ( l'angle de convergence des jets de gaz symé- triques est de 30 à 900C). Il se passe, dans ce cas, un phé- nomène analogue au passage d'un écoulement gazeux à travers un venturi formé par des jets de gaz symétriques. La vites- se d'écoulement de ces jets de gaz dépasse la vitesse de l'écoulement vecteur principal de 1,2 à 20 fois. La réduc- tion de la section de l'écoulement vecteur et, par consé- quent, son accélération, intervient sans pertes sensibles d'énergie par frottement. Au fur et à mesure de la réduc- tion de la section de l'écoulement vecteur il y a un ac- croissement rapide de son énergie cinétique qui contribue à un accroissement de la vitesse de transport des particu- les liquides ou solides. Ensuite, on transforme l'énergie cinétique du liquide atomisé ou des particules solides accélérées en énergie-d'impact grâce au fait qu'au point de convergence des composantes axiales des jets de gaz sy- métriques on place un obstacle solide. De cette manière on soumet les particules de liquide ou de phase solide à l'ac- tion de l'impact et on les brise définitivement avec forma- tion d'un aérosol dispersé liquide ou solide. En modifiant la vitesse des jets de gaz symétri- ques, il est possible de régler le degré de broyage-( dans le sens de la diminution ou de l'augmentation des dimensions des particules). Le procédé selon l'invention de préparation aéro- dynamique d'aérosols dispersés liquides et solides, par comparaison avec les procédés connus, permet de réaliser une dispersion d'un aérosol solide ou liquide dans la gam- me requise. Par le procédé selon l'invention, il estpossible de réaliser une dispersion du liquide et un broyage d'une matière solide à des dimensions de particules inférieures à 1 micron, étant entendu que la plage de dispersion-est étroite. En outre, dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention, les consommations d'énergie sont sensiblement plus basses que dans les procédés connus ( dans un rapport de 1/1,5 à 1/2). Le procédé est simple au point de vue de l'indus- !o trialisation et il est mis en pratique de la manière sui- vante. On admet un gaz par une buse dans laquelle on forme le jet de gaz principal. On admet dans la zone de sortie de gaz, hors de la buse, le matériau à disperser (un liquide ou des particules solides). A l'embouchure du jet intervient la dispersion préalable du liquide ou des particules solides qui sont entrainées par le jet de gaz et sont transportés vers l'obstacle. On resserre symétri- quement le jet de gaz vecteur de liquide ou de particules solides par d'autres jets de gaz. Les courants de jets de gaz de resserrement s'effectuent à partir de buses dis- posées de façon telle, par rapport à la buse à partir de laquelle est formé le jet de gaz principal, qu'on obtienne sous un angle de 30 à 90 une convergence homocentrique des jets de gaz sur l'obstacle. Les particules accélérées de liquide ou de matériau solide viennent frapper l'obsta- cle et l'on obtient leur dispersion définitive jusqu'au degré de dispersion désiré. On règle le degré de disper- sion en modifiant le rapport de la vitesse des jets de gaz qui opèrent le resserrement (la striction) symétrique ainsi que de la vitesse du jet de gaz principal. D'autres-caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion, qui va suivre, de plusieurs-exemples de réalisation. Exemple 1: On envoie dans un injecteur pneumatique (diamè- tre de la buse de sortie de 3 mm) de l'air à la températu- re de 200C. La vitesse d'écoulement de l'air à la sortie de la buse est de 90 m/s. Simultanément, on admet de l'eau dans la buse de l'injecteur. Le débit massique de l'eau est de 5 kg/h. On resserre le jet de gaz vecteur du liquide par quatre jets d'air symétriques dont la vitesse d'écoulement est de 110 m/s. Les buses d'oa partent les jets de gaz de striction sont disposées de manière à converger de façon homocentrique. L'angle de convergence des composantes axia- les desdits jets de striction étant de 30 . Au point de convergence des jets est installée une sphère en acier trem- pé de 18 mm de diamètre. L'aérosol liquide obtenu est composé de particu- les dispersées de 5 à 20 microns. A titre de comparaison, on obtient un aérosol analogue (eau, air) de la manière suivante. On admet dans la-buse d'un injecteur de 3 mm de diamètre de l'air, la vitesse d'écoulement de l'air à la sortie de la buse est de 90 m/s, la température de l'air est de 200C. Simultané- ment, on admet dans la buse de l'injecteur de l'eau, le débit massique d'admission de l'eau est de 5 kg/h. L'aéro- sol est composé de particules dispersées de 30 à 100 mi- crons. Exemple 2 On envoie dans un injecteur pneumatique ( diamé- tre de la buse de sortie de 2 mm) de l'air à la température de 200C. La vitesse d'écoulement de l'air au départ de la buse est de 15 m/s. Simultanément, on admet dans la buse de l'injecteur une solution à 10% de glycérine. Le débit massique d'admission de la glycérine est de 2 kg/h. On res- serre le jet de gaz vecteur du liquide par six jets symétri- ques d'air dont la vitesse d'écoulement est de 300 m/s. Les buses d'o partent les jets de gaz de striction sont dispo- sées de manière qu'elles convergent de manière homocentri- que, l'angle de convergence des composantes axiales des jets de striction étant de 580. Au point de convergence desdits jets est installée une sphère en acier de 10 mm de diamètre. L'aérosol obtenu est composé de particules dispersées de 0,5 à 1 micron. Exemple 3: On envoie dans un injecteur pneumatique ( diamé- tre de la buse de sortie de 0,5 mm) de l'azote à la tempé- rature de 150C. La vitesse d'écoulement de l'azote à la sortie de la buse est de 50 m/s. Simultanément, on admet dans la buse de l'injecteur l'acide répondant à la formule CH3(CH2)2COOH. Le débit massique d'admission de l'acide est de 0,8 kg/h. On resserre le jet de gaz vecteur de li- quide par trois jets d'azote symétriques dont la vitesse d'écoulement est de 300 m/s. Les buses d'o partent les jets de gaz de striction sont disposées de manière que les- dits jets convergent de manière homocentrique, l'angle de convergence des composantes axiales des jets de stric- tion étant de 40 . Au point de convergence desdits jets est installée une sphère en acier de 6 mm de diamètre. L'aé- rosol liquide obtenu est composé de particules dispersées de 3 à 8 microns. Exemple 4 On envoie dans une buse de 4 mm de diamètre de l'air à la température de 200C, la vitesse d'écoulement de l'air à la sortie de ladite buse étant de 100 m/s. On admet dans la zone de sortie de l'air, hors de la buse, du dioxyde de titane ayant des dimensions moyennes de par- ticules isolées et d'agglomérés jusqu'à 100 microns. On resserre le jet de gaz vecteur de particules solides par quatre jets d'air symétriques qui s'échappent des buses à une vitesse d'écoulement de 320 m/s. Les buses d'o s'échappent les quatre jets d'air sont disposées de maniè- re que lesdits jets d'air convergent de manière homocentri- que, l'angle de convergence des composantes axiales des- dits jets étant de 30 . Au point de convergence des jets est montée une sphère de titane de 20 mm de diamètre. L'aé- rosol obtenu est composé de particules dispersées de 0,5 à 1 micron de dimensions. Exemple 5: On envoie dans une buse de 5 mm de diamètre de l'air à la température de 250C. La vitesse d'écoulement de l'air hors de la buse est de 150 m/s. On envoie dans la zone de sortie de l'air, hors de la buse, une résine échan- geuse d'ions ayant une dimension moyenne de particules de 1000 microns, à un débit massique de 5 kg/h. On resserre le jet de gaz vecteur de particules solides par huit jets d'air symétriques qui s'écoulent à la vitesse de 300 m/s. Les buses d'o partent les huits jets d'air sont disposées de manière qu'ils convergent en un même point, l'angle de convergence des composants axiales desdits jets étant de 900.Au point de convergence des jets est installée une sphère en acier de 30 mm de diamètre. L'aérosol obtenu se compose de particules disper- sees de 1 à 5 microns. A titre de comparaison on a soumis à la disper- sion ( au broyage) une résine échangeuse d'ions ayant une dimension moyenne de particules de 1000 microns dans une unité de broyage par jets à chambre de mouture (ou de broya- ge) plane. Le débit d'air comprimé à la température de 200C étant de 300 m3/h, l'air étant admis sous une pression de 7 bars. On effectuait le soutirage d'aérosol solide disper- sé en continu à raison de 10 kg/h. La matière broyée était composée de particules dispersées de 5 à 20 microns. REVENDICATION Procédé de préparation aérodynamique d'aérosols liquides et solides dispersés, par mise en contact des par- ticules liquides ou solides à disperser avec un jet de gaz et transport subséquent desdites particules par le jet de gaz jusqu'à leur impact avec un obstacle, c--aractêrisé en ce qu'on soumet ledit jet de gaz transportant les Particules liquides ou solides à un resserremient siétrique par des jets de gaz dont la vitesse d'écoulemient est de 1,2 à 20 fois supérieure à la vitesse d'écculement du jet de gaz transportant les particules liquides ou solides, les jets de gaz étant orientés symétriquement de manière que leur convergence homocentrique se fasse sous un angle de 30 à 90 sur l'obstacle.