Brevet FR2489713A1 — publié le 19820312

La présente invention concerne un procédé et un appareil de broyage d'une matière en morceaux, contenant de préférence de la lignocellulose. L'appareil comporte des organes de broyage logés dans un carter et destinés à tourner l'un par rapport à l'autre, ces organes ayant des surfaces en regard qui forment des surfaces de broyage as- surant la désintégration de la matière en pâte sous forme finement divisée. Un domaine essentiel d'applications d'un tel appareil, dans lequel il porte le nom de défibrateur ou raffineur, est celui de la fabrication de la pâte à papier ou de fibres à partir d'une matière végétale sous forme de copeaux de bois, de sciure, de bagasse et analogue. Cet appareil a au moins deux organes en forme de disques des- tinés à tourner l'un par rapport à l'autre, c'est-à-dire que ces organes ont des surfaces coopérantes de broyage qui se prolongent en direction radiale. On sait déjà, comme dé- crit par exemple dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 877 809, déposée le 12 février 1978, qu'on peut réaliser ces surfaces de broyage avec une partie radialement interne disposée essentiellement en direction radiale et une partie radialement externe disposée es- sentiellement en direction axiale, la partie externe au moins jouant le rôle d'un espace de broyage et comportant, à cet effet, des nervures, des gorges et des encoches. L'un desorganes coopérants de broyage peut être totalement fixe ou, comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 22 184 déposée le 16 mars 1979, elle peut comprendre deux éléments dont l'élément externe est fixe alors que l'élément interne tourne en sens opposé à celui de l'autre disque qui lui-même tourne dans son ensemble. Grâce à cette construction de défibrateur ou de raffineur, l'espace de broyage formé entre les organes en forme de disques est divisé en une partie interne qui a un orifice central d'entrée de la matière broyée et dans lequel une force centrifuge relativement faible peut être utilisée de façon optimale pour l'alimentation de la matière vers la partie externe qui, grâce à une coordination convenable de son diamètre, du nombre de tours et de la pression de bro- yage, peut avoir une productivité et une capacité élevées de désintégration combinées à une consommation relativement faible d'énergie. Ces différents paramètres, lorsqu'ils sont utilisés avec une alimentation fournissant par exemple une énergie de 10000 kWh ou plus, ont aussi pour résultat de former de la vapeur d'eau dans l'espace de broyage à partir du liquide (eau) présent dans la matière en pâte, avec une pression de vapeur d'eau qui est suffisamment élevée pour qu'elle compense la résistance présentée par la matière su- bissant le traitement de broyage et qu'elle s'échappe hors de l'espace formé entre les organes de broyage. T'échappement de la vapeur d'eau qui a lieu en partie en direction opposée à la direction de circulation de la matière et en partie sui- vant cette direction, a un effet perturbateur sur la pro- gression de l'opération de broyage. La vapeur d'eau évacuée s'oppose à l'avance de la matière vers la zone de broyage dans laquelle la vapeur d'eau est formée, et raccourcit la période de séjour de la matière dans la zone externe de bro- yage. L'invention concerne une augmentation du rendement et de la capacité d'un appareil de broyage du type précité, par élimination de l'effet défavorable de la vapeur d'eau créée sur le courant de la matière à l'intérieur de la zone de broyage. Ces propriétés sont obtenues essentiellement par mise en oeuvre d'une caractéristique de l'invention selon laquelle la vapeur d'eau présente dans l'espace de broyage est séparée de la matière en pâte, malgré l'effet de la for- ce centrifuge, et est chassée dans des canaux dirigés vers l'intérieur et formés dans l'organe rotatif de broyage qui délimite la surface radialement interne de broyage, avant l'évacuation de la matière de l'espace de broyage à la pé- riphérie externe de cet espace. Un appareil qui convient particulièrement bien à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est tel que le disque rotatif formant la sur- face radialement interne de broyage de l'espace externe de broyage a des canaux d'évacuation dirigés vers l'intérieur et destinés à séparer la vapeur d'eau de la matière en pâte, malgré l'effet de la force centrifuge, avant l'évacuation de la matière de la partie externe de l'espace de broyage ou son admission dans cette partie externe. Comme les passages d'évacuation de la vapeur d'eau partent de la surface rotative interne de broyage qui délimi- te la partie axialement inclinée de l'espace de broyage, la vapeur d'eau est séparée de la matière en pâte qui est elle- même retenue dans l'espace de broyage sous l'action de la force centrifuge élevée tout en se désintégrant sous forme de fibres et/ou de fibrilles transportées vers la périphérie de sortie dudit espace. L'effet retardateur qui, comme décrit dans les demandes précitées de brevet d'invention, s'exerce sur la matière par division de l'effet de la force centrifuge afin qu'elle ait une composante vectorielle perpendiculaire à la surface de broyage et supérieure à la force vectorielle agissant dans la direction de circulation de la matière, don- ne un temps de séjour de la matière dans la zone de broyage et en conséquence un effet de broyage plus favorables. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, fai- te en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure l est une coupe longitudinale par un plan vertical d'unappareil de broyage réalisé selon l'in- vention; - la figure 2 est une coupe partielle agrandie d'une partie de l'appareil de la figure i; et - les figures 3 et 4 sont des coupes longitudinales d'appareilsde broyage selon des variantes de l'invention. On se réfère maintenant aux dessins et en parti- culier à la figure l sur laquelle la référence 10 désigne un carter ou bottier dans lequel sont montés un disque ou organe rotatif de broyage et un organe de broyage fixe en rotation, portant respectivement les références générales 12 et 14. Le disque rotatif est monté sur un arbre 16 qui tourillonne de manière classique dans une partie 18 du bâti de l'appareil. Les deux organes de broyage sont revêtus, de manière connue sur leurs faces en regard par des anneaux ou segments 20 et 22 respectivement qui sont subdivisés convenablement en plusieurs corps concentriques en forme de parties de cercle et qui délimitent entre eux un espace 24 de broyage qui se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'arbre 18 et qui forme une zone interne ou primaire de broyage. La matière à broyer, par exemple sous forme de copeaux préchauffés de bois, est transmise par une vis sans fin 26 logée dans un manchon central 28 d'entrée qui est relié lui-même au carter 10. La matière est trans- portée par la vis vers une zone 30 d'alimentation vers l'extérieur qui se trouve du côté radialement interne de l'espace de broyage puis elle est transmise vers l'extérieur entre les segments 20 et 22 de broyage. Un organe déflecteur 32 est aussi monté sur le disque 12 et pousse la matière à broyer provenant de la vis 26 vers la zone 30. La partie 18 du bâti de l'appareil peut, en plus des tourillons et paliers de l'arbre 16 et du dispositif d'entraînement en rotation de l'arbre, comprendre des or- ganes d'un servomoteur qui permettent le déplacement axial du disque 12 et simultanément qui créent la pression axiale de broyage entre les deux organes de broyage. Un tel servomoteur peut en outre être réalisé afin qu'il per- mette le réglage de la largeur de l'espace 24 de broyage- à une valeur prédéterminée voulue, et le maintien de cette- largeur. La partie 18 du bâti et les organes associés sont connus comme décrit par exemple dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique no 3 212 721 et on ne les décrit pas en dé- tail, car ils ne font pas partie de l'invention. Un espace 34 de broyage est formé axialement à l'extérieur de l'espace radial 24 de broyage et, dans les modes de réalisation représentés, il a essentiellement une direction axiale et un profil tronconique. Selon la demande précitée de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 877 809, cet espace 34 de broyage fait un angle déterminé avec le plan de l'espace interne 24 de broyage, ce plan étant per- pendiculaire à l'axe de rotation de l'organe 12. Cet angle lu est supérieur à 450, comme indiqué schématiquement sur les dessins. De préférence, cet angle dépasse 60 à 700. On ob- tient des résultats particulièrement bons pour des angles compris entre 75 et 820. Comme indiqué clairement sur les figures 2 et 3, la surface radialement interne de broyage de l'espace 34 est formée par des segments 38 qui sont fixés rigidement sur le disque rotatif 12. La surface radialement externe de bro- yage de l'espace 34 est formée par des segments 40 qui sont portés par un élément annulaire 42 concentrique à l'arbre 16. Les segments 40 ont ainsi une surface interne ou conca- ve 44 qui entoure la surface externe 46 des segments rotatifs 38. L'élément annulaire 42 fixe en rotation peut être dé- placé axialement afin qu'il permette le réglage de la lar- geur de l'espace 34 de broyage entre les deux surfaces 44, 46 qui délimitent l'espace de broyage, indépendamment de la distance séparant les organes 12 et 14 de broyage qui est déterminée par la largeur de l'espace 24. L'élément annu- laire 42 est centré sur l'organe fixe 14 de broyage et a un piston annulaire 48 qui peut coulisser axialement dans une chambre cylindrique annulaire 50 formée dans le carter fixe ou un capuchon 51 fixé à ce carter, afin que le déplace- ment axial précité soit possible. Une matière sous pression telle que de la vapeur d'eau, de l'air, un mélange eau- huile ou analogue, est introduite par une tuyauterie 54 dans un espace interne 52 dans la chambre 50. La pression est suffisamment élevée pour qu'elle dépasse la composante de la pression de broyage agissant en sens opposé sur la matière à broyer et de la pression due à la vapeur d'eau créée entre les surfaces délimitant l'espace de broyage. Le déplacement du stator 42 et du piston annulaire 48 vers l'organe rotatif de broyage est réglé et limité par un cer- tain nombre de boulons 56 régulièrement répartis autour de la circonférence du piston et fixés rigidement dans le pis- ton, et par des filetages 58 formés aux extrémités externes et coopérant avec des boutons 60 de réglage qui sont comman- dés par une transmission commune comportant un pignon 62 à chaîne sur chacun des boutons, un pignon menant 64 monté sur l'arbre 66 d'un moteur 65 de réglage et une chaîne 68 de transmission passant sur tous les pignons. Des roule- ments 70 sont placés entre les boutons de réglage et le carter 10. Les boulons 56 peuvent avoir chacun un canal interne 72 formé d'un bout à l'autre et communiquant à une première extrémité avec une tuyauterie 74 d'alimenta- tion en liquide de refroidissement sous pression tel que l'eau, et, à l'autre extrémité, avec des canaux 75 qui dé- bouchent dans l'espace de broyage, très avantageusement à la transition des deux zones de cet espace 24 et 34 res- pectivement. De cette manière, un liquide peut être transmis à la zone externe 34 de broyage afin qu'il refroidisse la matière et remplace la vapeur d'eau créée afin que la ma- tière ne soit pas surchauffée. Dans la zone radialement interne 24 de broyage, la matière en pâte provenant de la zone 30 d'alimentation vers l'extérieur subit pleinement l'action de la force cen- trifuge. Dans cette zone interne de broyage, la matière subit une désintégration initiale. Lorsque la matière passe en- suite-dans la zone externe 34 de broyage, l'action de la zone centrifuge atteint des valeurs très élevées, mais son effet sur la propulsion de la matière est néanmoins consi- dérablement réduit. De cette manière, on obtient une com- pensation de l'augmentation de la force centrifuge avec le rayon croissant. En conséquence, la vitesse du courant de la pâte est réduite dans la direction d'écoulement si bien que la période de traitement dans l'appareil est prolongée. La force centrifuge agissant sur la matire en pâte a une com- posante perpendiculaire aux génératrices de l'espace 34, absorbée par l'élément angulaire fixe 42, alors que la com- posante agissant dans la direction du courant de pâte ne constitue qu'une petite partie au total de la force centri- fuge. Les segments 22, 20 et 38, 40 de broyage sont dis- posés sur des surfaces en regard comportant de manière connue des nervures séparées les unes des autres par des gorges, avec une longueur parallèle à la direction de la matière et aussi avec des saillies transversales qui séparent les gor- ges en petits tronçons. Lors du fonctionnement de l'appareil de broyage, la matière à broyer telle que des copeaux de bois est sou- mise, surtout dans l'espace externe incliné 34 de broyage, à un traitement intense de désintégration qui provoque la séparation des fibres les unes des autres et/ou la mise à nu des fibrilles du fait de la pression élevée de broyage appli- quée depuis l'extérieur et de la vitesse périphérique élevée qui est une conséquence de l'augmentation du diamètre dans la zone externe de broyage. La fourniture d'une quantité élevée d'énergie provoque la création de vapeur d'eau sous pression élevée qui agit sur le courant de la matière et contrarie ain- si l'effet retardateur dû à la composante axiale de la lon- gueur de la zone de broyage sur l'écoulement de la matière en pâte. Selon l'invention, des gorges ou canaux 76 dirigés ra- dialement vers l'intérieur depuis l'espace 34 de broyage sont formés dans les segments 38 du disque rotatif 12 de broyage. De préférence, plusieurs canaux 76 sont répartis sur tout l'espace de broyage dans la direction d'écoulement, les différents canaux ayant un canal collecteur commun 78 assurant l'évacuation de la vapeur d'eau. Les canaux 76 et le canal collecteur 78 peuvent être formés à différents emplacements autour de la circonférence du disque rotatif 12. La vapeur d'eau créée dans l'espace de broyage s'écoule alors en sens opposé à celui de la force centrifuge, c'est- à-dire vers l'intérieur dans les canaux 76 et se sépare de la matière en pâte qui, du fait de la force centrifuge éle- vée, reste plus longtemps dans l'espace de broyage que dans le cas contraire, tout en se déplaçant lentement et de façon continue vers la périphérie externe lors du broyage, avec évacuation finale à cette périphérie. Les fibres finalement broyées sont chassées en tourbillonnant dans une chambre 80 du carter 10 de broyage dans laquelle existe une surpression, et sont évacuées par une sortie 82. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le ou les canaux collecteurs 72 débouchent dans la chambre 80 et la vapeur d'eau dirigée par ces canaux est ainsi renvoyée dans le courant de pâte contenant les fi- bres. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le car- ter 10 entourant les organes de broyage est séparé en deux chambres par un anneau d'étanchéité 82 qui est fixé dans le carter 10 par des vis 84 et qui en dépasse dans une cavité annulaire 86 formée dans le disque rotatif 12 et forme des surfaces d'étanchéité 88 avec cette cavité. Un fluide tel que de l'eau peut être transmis vers ces surfaces par un alésage 90. Ce fluide est sous une pression supérieure à celle qui règne dans les deux chambres du carter. De cette manière, le carter est divisé en une chambre 80 à partir de laquelle la pâte ayant subi le broyage est évacuée, et une chambre 92 ayant une sortie 94 dans laquelle la vapeur d'eau est évacuée par le canal collecteur 78 par l'intermé- diaire de canaux 96, 98 formés dans le disque 12. La matière qui n'est pas totalement traitée et qui passe avec la vapeur d'eau séparée peut alors être facilement prélevée et ren- voyée dàns l'espace de broyage. De la vapeur d'eau se forme aussi dans la zone radiale interne 24 de broyage, bien qu'en plus faible quan- tité que dans la zone externe 34. Cette vapeur s'écoule en partie à contre-courant de la matière et peut alors être utilisée pour le préchauffage de celle-ci ou à d'autres effets, et elle s'écoule en partie dans la direction d'é- coulement de la matière vers la zone externe de broyage. Le mode de réalisation de la figure 4 diffère des précédents et en ce que la vapeur d'eau séparée dans l'es- pace externe 34 de broyage est renvoyée par l'intermédiaire du canal collecteur 78 et des canaux 100 de retour vers la zone 30 d'alimentation puis vers l'espace radial 24 de bro- yage. Le disque rotatif 12 a plusieurs canaux répartis à sa circonférence et débouchant près du centre dans un espace 102 qui est adjacent à l'organe déflecteur 32. La plus grande partie de la vapeur d'eau créée pendant le broyage et sous l'action de la force centrifuge, plus ou moins totalement débarrassée de la matière en pâte, est renvoyée par le circuit des canaux décrits vers l'orifice d'alimentation de l'appareil et peut être utilisée pour le préchauffage de la matière à broyer ou peut être évacuée pour être utilisée à d'autres effets sans que la vapeur s'écoule en sens opposé à celui de circulation de la ma- tière en pâte, donc sans perturbation de l'avance de la matière vers la zone dans laquelle la vapeur d'eau est for- mée. Lorsque la vapeur d'eau est transmise vers le côté d'admission de l'espace de broyage formé entre les disques, les particules de la matière en pâte qui n'ont pas été obli- gatoirement broyées en totalité, sont renvoyées automatique- ment dans les zones de broyage afin qu'elles soient traitées à nouveau. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extraction de vapeur d'eau de l'espace de broyage délimité entre deux organes (12, 14) de broyage tournant l'un par rapport à l'autre, dans un appareil de broyage d'une matière en morceaux contenant de préférence de la lignocellulose, l'espace de broyage ayant, au moins dans une partie radialement externe (34), une étendue axiale entre une entrée centrale et une sortie périphé- rique de la matière en pâte qui s'échappe à la périphérie des organes de broyage, ledit procédé étant caractérisé en ce que la vapeur d'eau est séparée de la matière malgré l'action de la force centrifuge, par l'intermédiaire de canaux (76) dirigés vers l'intérieur et formés dans l'or- gane rotatif (12) de broyage qui constitue la surface ra- dialement interne de broyage, avant évacuation de la matière de l'espace de broyage (34) à la périphérie externe dudit espace. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vapeur d'eau séparée de la matière en pâte qui se trouve dans l'espace de broyage (34) est réunie à la matière en pâte qui quitte l'espace de broyage. 3. Procédé selon la revendication 1, *caractérisé en ce que la vapeur d'eau séparée est transmise hors du carter de broyage sous forme d'un courant séparé du courant de la matière en pâte. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vapeur d'eau séparée est renvoyée au moins en par- tie vers le côté d'admission de la matière en pâte, en amont de l'espace de broyage. 5. Appareil de broyage d'une matière en morceaux contenant de préférence de la lignocellulose, du type com- prenant des disques (12, 14) tournant l'un par rapport à l'autre, logés dans un carter (10) et ayant des surfaces en regard qui comportent, à partir du centre de rotation, une partie (24) dirigée essentiellement radialement, et une partie externe (34) dirigée essentiellement axialement, la partie externe au moins forment un espace de broyage et ayant des surfaces de broyage comportant des gorges et des nervures destinées à la désintégration de la matière à broyer dans des conditions dans lesquelles de la vapeur d'eau se forme dans ledit espace, ledit appareil étant caractérisé en ce que le disque rotatif (12) formant la surface interne radialement de broyage-de la partie externe (34) de l'espace de broyage a des canaux d'évacuation (76) dirigés vers l'in- térieur et destinés à séparer la vapeur d'eau de la matière en pâte, malgré l'action de la force centrifuge et avant l'évacuation de la matière en pâte hors de la partie externe (34) de l'espace de broyage ou avant son admission dans cette partie externe. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les canaux (76) débouchent dans le carter (10)- afin que la vapeur d'eau séparée soit mélangée à la matière en pâte évacuée par la périphérie externe de la partie externe (34) de l'espace de broyage. 7. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la vapeur d'eau séparée de la matière en pâte dans l'espace de broyage est évacuée par des canaux (78) qui sont séparés du chemin de circulation de la matière en pâte lorsqu'elle est évacuée de l'espace de broyage. 8. Appareil selon la revendication 5,.caractérisé en ce que le carter est divisé par des organes d'étanchéité (82, 86) disposés entre le carter et le disque rotatif (12), en deux chambres (80, 92),les canaux (76) débouchant dans l'une des chambres (92) alors que l'autre chambre constitue une chambre de réception de la matière en pâte broyée qui est ensuite chassée par une sortie (82) formée dans le car- ter. 9. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les canaux (76, 78, 100, 102) sont dirigés vers l'in- térieur, vers le centre du disque (12) afin qu'une partie au moins de la vapeur d'eau séparée soit transférée à l'en- trée de la matière en pâte, en amont de l'espace de broyage. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications à 9, caractérisé en ce que la surface de broyage du disque rotatif (12) a plusieurs sorties (76) de vapeur d'eau, distantes les unes des autres dans la direction d'écoule- ment de la matière en pâte ou ayant un espacement radial différent par rapport au centre, ces sorties rejoignant un canal collecteur commun (78) formé dans ce-disque.