Brevet FR2522528A1 — publié le 19830909

Appareil perfectionné pour la séparation centrifuge d'un mélange comprenant au moins une phase gazeuse. La présente invention concerne des perfec- tionnements apportés à un appareil pour la séparation centrifuge d'un mélange comprenant au moins une phase gazeuse, appareil faisant l'objet de la demande de brevet français no 2 468 410. Cet appareil comporte, dans une enceinte fixe, un équipage tournant constitué par un rotor de traitement à disques ajourés décalés angulairement de l'un à l'autre, en amont par un distributeur rotatif et en aval par un ventilateur avec interposition éventuelle d'un redresseur rotatif Le mélange à traiter s'écoule de façon laminaire à travers les ajourages des disques suivant des veines hélicoïdales vives séparées par des lames hélicoïdales mortes, les lames tournant à la même vitesse que le rotor, tandis que les veines vives tournent beaucoup plus vite La phase non gazeuse à séparer s'échappe sous l'effet du champ centrifuge extrêmement intense des veines vives et se trouve prise en charge par les lames mortes o règne toujours un champ centrifuge, cependant moins intense Sous l'effet de celui-ci, cette phase plus dense migre vers la péri- phérie et se trouve piégée par un empilage de déflecteurs tronconiques divergeant vers l'amont et solidaires de l'enceinte fixe. La pression en amont de chaque disque est supérieure à la pression en aval, par suite de la perte de charge et de la détente au passage du fluide gazeux à travers les ajourages du disque considéré Entre celui- ci et le déflecteur correspondant, un jeu fonctionnel est ménagé et laisse apparaître une fente annulaire à travers laquelle une fuite tend à se produire de l'amont vers l'aval, en raison justement de la faible chute de pression précitée D'une manière analogue, un jeu est ménagé entre le déflecteur considéré et la paroi de l'enceinte pour l'évacuation vers l'amont de la phase séparée la plus dense, une fuite de phase gazeuse tendant également à se produire à travers cette deuxième fente annulaire, de l'amont vers l'aval. Ces fuites nuisent au rendement de la séparation, car la phase gazeuse se charge évidemment au passage, en faible quantité certes mais en quantité incompatible avec la qualité requise, de la phase la plus dense amenée par des lames mortes D'autre part, si cette phase la plus dense est un liquide, l'écoule- ment de celui-ci vers l'amont le long de la paroi de l'enceinte est contrarié par la fuite gazeuse vers l'aval et le liquide tend à séjourner dans les déflecteurs; des phénomènes de redispersion de liquide peuvent alors se produire. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en vue d'obtenir des perfor- mances exceptionnelles et un rendement de séparation proche de la perfection. Dans ce but et conformément à l'invention, l'appareil comporte, entre les disques et la partie fixe de l'enceinte, un moyen annihilant partiellement au moins les fuites vers l'aval à travers la fente annulaire nécessairement ménagée entre ces disques et cette partie fixe pour permettre la rotation de l'équipage tournant. Suivant une forme de réalisation, le moyen annihilant partiellement au moins les fuites consiste à prévoir sur chaque disque une plage annulaire périphé- rique exempte d'ajourages et d'étendue suffisante pour que la fente soit ménagée entre le disque considéré et la paroi de l'enceinte dans une zone marginale du courant de mélange à traiter o la vitesse axiale de fuite est réduite au minimum. Suivant une autre forme de réalisation, le moyen annihilant partiellement au moins les fuites consiste en de petites pales axiales formées à la périphérie de l'un au moins quelconque des éléments constitués par les disques et la partie fixe de l'enceinte pour engendrer un rideau axial de fluide s'écoulant à contre-courant vers l'amont dans la fente annulaire précitée, le rideau imposant alors que le mélange soit traité en totalité et que la phase séparée la plus dense s'achemine vers l'amont le long de la paroi de l'enceinte. La partie fixe précitée de l'enceinte étant constituée par la paroi même de cette enceinte, les petites pales peuvent être formées à la périphérie d'une plage annulaire des disques exemptesd'ajourages sur une largeur suffisante et orientées pour diriger le rideau de balayage vers l'amont. La partie fixe précitée de l'enceinte étant constituée par un empilage de déflecteurs tronco- niques dont le bord intérieur est situé rigoureusement en regard des disques, les petites pales peuvent être formées sur le bord des disques ou sur ce bord des déflecteurs, bord qui peut être tronconique ou annulaire et plat. Suivant encore une autre forme de réali- sation, le moyen annihilant partiellement au moins les fuites consiste en des ailettes radiales ou incidentes, droites ou incurvéesfaisant saillie sur la face amont de la plage annulaire périphérique exempte d'ajourages d'au moins le dernier disque aval du rotor, pour engen- drer un rideau radial de fluide s'écoulant vers la paroi de l'enceinte et les fentes annulaires sont barrées, au dessus du dernier disque aval, par une collerette soli- daire de la paroi de l'enceinte, cette collerette formant labyrinthe et favorisant la déviation du rideau de balayage radial en un rideau de balayage axial le long de cette paroi. Divers autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, sur le dessin annexé. Sur ce dessin: la figure 1 est une perspective montrant l'appareil centrifuge auquel les perfectionnements de l'invention sont appliqués. les figures 2 à 6 sont des coupes schématiques d'un disque illustrant trois formes de réali- sation et des variantes susceptibles d'être adoptées pour ces perfectionnements. les figures 7 à 10 font ressortir en plan et en coupe, plusieurs modes d'exécution des petites pales mises en oeuvre selon les figures 3 à 6. les figures 11 et 12 sont des demi-coupes axiales de l'appareil illustrant une quatrième forme de réalisation et des variantes susceptibles également d'être adoptées pour les perfectionnements précités. la figure 13 est une vue en plan partielle d'un disque montrant plusieursmodes d'exécu- tion des ailettes selon les figures Il et 12. Ainsi que cela apparaît clairement sur la figure 1, l'appareil avant perfectionnement comporte une enceinte fixe 1 dans laquelle est disposé un équipage tournant m en rotation par un dispositif d'entraîne- ment tel qu'un moteur électrique. Cet équipage comporte, calés sur un arbre menant commun 2: un rotor de traitement 3 constitué par un empilage de disques ajourés 4, un distributeur rotatif 5 situé en amont du rotor si l'on considère le sens F d'écoulement axial du mélange à traiter. éventuellement, un redresseur rotatif 6 disposé en aval du rotor et un ventilateur 7 calé sur l'arbre 1 en aval du redresseur 6. Les disques 4 du rotor 2 délimitent des ajourages 8 séparés par des parties pleines 9 présentant en saillie des rebords 10 dits postérieurs si l'on considère le sens T de rotation Les disques sont écartés et décalés angulairement les uns des autres, de telle façon que la pente de l'écoulement hélicoldal des veines vives du mélange à travers les ajourages 8 se trouve déterminée; cet écoulement à plus grande vitesse tangentielle que le rotor est dû à la chute de pression amont engendrée par le ventilateur 7 et à la transfor- mation de celle-ci par le distributeur 5 en une vitesse hélicoïdale Les veines vives s'écoulent plus vite relativement à des lames mortes intercalaires piégées dans le rotor par les parties pleines 9 et leurs rebords 10. L'enceinte 1 est solidaire d'un empilage 11 de déflecteurs tronconiques 12 qui piègent la phase la plus dense séparée s'échappant des veines vives, soit direc- tement, soit par l'intermédiaire des laines mortes sous l'effet des champs centrifuges auxquels lesdites veines et lames sont soumises. Ainsi que cela est indiqué dans ce qui précède, du jeu est prévu: entre les disques 4 et les déflecteurs 12 pour permettre la rotation de l'équipage tournant, ce jeu étant réduit au minimum en disposant ces disques et ces déflecteurs en prolongement très précis les uns des autres. entre les déflecteurs 12 et la paroi de l'enceinte 1 pour permettre l'évacuation contre celle-ci vers l'amont de la phase séparée la plus dense. Ces jeux font donc apparaître deux fentes annulaires 13 et 14 à travers lesquelles des fuites se produisent vers l'aval en entraînant de cette phase la plus dense, en faible quantité d'ailleurs Il s'agit de mettre en oeuvre des moyens s'opposant à de telles fuites et permettant par conséquent de parvenir à une séparation pratiquement parfaite. Suivant une première forme de réalisation schématisée sur la figure 2, la fente 13 se trouve supprimée et la fente 14 est délimitée entre chaque disque 4 et la paroi de l'enceinte 1 Pour éviter qu'une fuite ait tendance à se produire à travers cette fente unique, il faut que cette dernière soit située dans une zone marginale du courant de mélange à traiter o la vitesse axiale de fuite est réduite au minimum Il faut donc s'éloigner suffisamment dans les directions radiales; à cet effet, chaque disque 4 s'étend au délà des ajourages 8 et présente une plage annulaire périphé- rique 15 de largeur suffisante et dont le bord définit la fente annulaire 14 près de la paroi de l'enceinte 1. Selon une variante représentée en trait mixte sur la figure 2, la plage annulaire est tronconique et désignée dans ce cas par le repère 16; cette plaque tronconique diverge alors vers l'amont. Suivant une deuxième forme de réalisation illustrée par les figures 4 à 6, l'empilage de déflecteurs tronconiques 12 subsiste et les fentes annulaires 13, 14 également De petites pales dites axiales sont prévues pour engendrer à travers les fentes alignées 13 un rideau axial de fluide s'écoulant à contre-courant vers l'amont. Ainsi, le rideau axial s'oppose à ce qu'une fuite puisse se produire à travers lesdites fentes 13; il forme en outre un écran relativement difficile à franchir pour la phase la moins dense, alors que la phase la plus dense lancée par le champ centrifuge le traverse relativement facilement; d'autre part, ce rideau favorise en l'en- trainant,le cheminement vers l'amont de la phase la plus dense le long de la paroi de l'enceinte. Lorsqu'il s'agit de définir ces petites pales par leur situation, des lettres de référence sont utilisées Par contre, lorsqu'il s'agit de les définir par leur mode d'exécution, elles sont désignées par des chiffres de référence La raison de cette distinction est que n'importe quel type de petite pale peut être mis en oeuvre dans n'importe quelle situation. Selon la réalisation de la figure 4, des petites pales "a" sont formées sur le bord extérieur des disques 4. Selon celle de la figure 5, des petites pales "b" sont formées sur le bord intérieur des déflec- teurs tronconiques 12. Selon celle de la figure 6, des petites pales "c" sont formées sur le bord intérieur d'une collerette annulaire plane 17 solidaire de chaque déflec- teur 12 et prolongeant avec précision le disque 4 correspondant. Suivant une troisième forme de réalisation combinant les deux précédentes et ressortant de la figure 3, la fente 13 se trouve supprimée, chaque disque 4 est prolongé par une plage annulaire périphérique 15 délimi- tant avec la paroi de l'enceinte 1 la fente 14 et un rideau axial de fluide s'écoulant à contre-courant vers l'amont est engendré à travers celle-ci; à cet effet, des petites pales "d" sont formées à la périphérie de la plage 15. Toutes ces petites pales "a" à "d" sont orientées par rapport à l'élément qui tourne le plus rapidement (le support de ces pales ou le fluide) pour diriger le rideau de balayage vers l'amont, comme cela se produit dans un ventilateur axial. Les petites pales peuvent être exécutées par tous moyens appropriés Elles peuvent être parfai- tement profilées si les déflecteurs fixes, voire les disques sont fabriqués par injection dans un moule d'une matière plastique, d'un alliage léger ou autre. Mais étant donné que la perfection de forme ne s'impose pas, qu'en outre les disques et les déflecteurs sont pratiquement toujours fabriqués en tôle, les modes d'exécution représentés sur les figures 7 à 10 peuvent être mis en oeuvre. Suivant le mode d'exécution de la figure 7, une entaille 18 est pratiquée par sciage, découpage, cisaillage ou autre sur le bord de l'élément porteur des petites pales (disque ou déflecteur) et l'un des coins 19 est relevé en biais par pliage le long d'une ligne oblique Ce coin triangulaire constitue une petite pale susceptible de refouler le fluide vers l'amont (flèche Fl) lorsque l'élément porteur défile dans le sens de la flèche R par rapport à un fluide statique ou tournant moins vite ou lorsque le fluide s'écoule dans le sens inverse à celui de la flèche R par rapport à un élément porteur fixe. Suivant le mode d'exécution de la figure 8, l'entaille 18 permet de former deux coins en biais 19 et 21 ou petites pales, par pliage le long des lignes obliques 20 et 22 respectivement, de l'une vers l'aval et de l'autre vers l'amont. Suivant le mode d'exécution de la figure 9, une encoche d'équerre 23 est pratiquée sur le bord de l'élément porteur et la patte 24 sensiblement rectangulaire ainsi délimitée est relevée et inclinée par pliage le long de la ligne 25 Cette patte constitue une petite pale susceptible de refouler le fluide comme selon la figure 7. Suivant le mode d'exécution de la figure , une encoche en T 26 est pratiquée pour former deux pattes inclinées 24 et 27, par pliage le long des lignes 25 et 28 respectivement, de l'une vers l'aval et de l'autre vers l'amont. Dans ces divers modes d'exécution, il est essentiel d'incliner les coins ou pattes formant pales par rapport à la direction axiale afin que l'élément qui en est porteur fonctionne dans leur zone correspondant à une fente à la manière d'un ventilateur axial. Suivant une quatrième forme de réalisation illustrée par les figures 11 à 13, le dernier disque aval 4 N du rotor 3 (figure 12) ou les deux derniers disques aval 4 n-1 et 4 N dudit rotor (figure 11) sont équipésd'ailettes radiales 28 Celles- ci sont solidaires de la bordure annulaire extérieure 29 du ou des disques considérés qui entourent les ajourages 8 Elles font saillie sur la face amont et s'étendent du disque dont elles sont solidaires jusqu'au voisinage du disque précédent. Si l'appareil est exempt de déflecteurs 12 (figure 11), les disques 4 du rotor 3 s'étendent jusqu'au voisinage de la paroi de l'enceinte 1 pour délimiter la fente 14 jusqu'à proximité de laquelle lesdites ailettes 28 sont situées Ces ailettes portées par la bordure 29 des disques 4 N et 4 n-1 se comportent comme un ventilateur radial et engendrent lorsque le rotor 3 tourne,un rideau radial de fluide qui s'achemine jusqu'à la paroi de l'enceinte Pour que ce rideau soit dévié le long de la paroi de cette dernière vers l'amont et n'emprunte jamais la dernière fente aval 14, ladite paroi de l'enceinte 1 est solidaire d'une collerette 30 qui recouvre à faible distance la fente considérée afin de former un labyrinthe Ce rideau d'abord radial,puis dévié axialement vers l'amont est chargé de la phase la plus dense à éliminer et entraîne celle-ci à travers les fentes 14 successives jusqu'à l'extrémité d'évacuation de l'appareil Mais parvenue au-delà du premier disque amont, la phase la moins dense du rideau revient dans le courant central de l'appareil o elle se charge à nouveau de phase la plus dense Parvenue près du ou des disques aval, cette phase la moins dense à nouveau chargée se constitue en rideau refoulé vers la périphérie du ventilateur radial 28 et le cycle recommence. Si l'appareil comporte des déflecteurs tronconiques 12 (figure 12) le dernier disque aval 4 n du rotor 3 est équipé d'ailettes radiales 28 pour former un ventilateur radial qui engendre alors un rideau radial de fluide Dans ce cas, il faut aussi que le rideau radial soit dévié axialement vers l'amont, ce que facilite le déflecteur aval 12,mais faut- il encore que les fentes annulaires 13 et 14 ne constituent pas despassages privilégiés Pour qu'au contraire ces fentes ne livrent aucun passage au rideau, elles sont masquées à la manière d'un labyrinthe par un prolongement conique 31 de la paroi de l'enceinte(Dour la fente)s 1 et par la collerette 30 de cette paroi (pour la fente 13) Quelle que soit la forme de réalisation envisagée, les ailettes 28 peuvent être radiales comme indiqué sur la partie A de la figure 13 ou présenter un angle d'incidence par rapport au rayon comme indiqué sur la partie B de cette figure; ces ailettes peuvent être droites (parties A et B) ou incurvées (partie C). Suivant une cinquième forme de réalisation combinant les deuxième et quatrième formes, l'appareil peut comporter à la fois des ailettes radiales 28 sur au moins le dernier disque aval 4 N du rotor 3 et des petites pales axiales a, b ou c sur certains au moins des disques 4 et des déflecteurs 12 lorsque ceux-ci sont présents La combinaison d'ailettes radiales avec de petites pales axiales permet d'obtenir un effet de ventilation hélico-centrifuge, grâce à laquelle les fentes 13 et/ou 14 ne peuvent être traversées que par un rideau fluide mobile véhiculant la phase la plus dense que vers l'amont. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation représentées et décrites en détail car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. R E V E N D I C A T I O N S 1. Appareil perfectionné pour la sépa- ration centrifuge d'un mélange comprenant au moins une phase gazeuse, cet appareil comportant, dans une enceinte fixe ( 1), un équipage tournant constitué par un rotor de traitement ( 3) à disques ajourés ( 4) décalés angu- lairement de l'un à l'autre, en amont par un distributeur rotatif ( 5) et en aval par un ventilateur ( 7) avec interposition éventuelle d'un redresseur rotatif ( 6), le mélange à traiter s'écoulant de façon laminaire à travers les ajourages ( 8) des disques suivant des veines hélicoidales vives séparées par des lames hélicoldales mortes dans laquelle la phase non gazeuse à séparer s'achemine entre les disques jusqu'à la partie fixe de l'enceinte o elle est collectée et s'achemine vers l'amont, les perfectionnements étant caractérisés en ce que l'appareil comporte, entre les disques ( 4) et la partie fixe ( 1 et/ou 12) de l'enceinte, un moyen ( 15; a,b,c,d,28)annihilant partiellement au moins les fuites vers l'aval a travers la fente annulaire ( 13 et/ou 14) nécessairement ménagée entre ces disques et cette partie fixe pour permettre la rotation de l'équipage tournant. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen annihilant partiellement au moins les fuites consiste à prévoir sur chaque disque ( 4) une plage annulaire périphérique ( 15) exempte d'ajourages ( 8) et d'étendue suffisante pour que la fente ( 14) soit ménagée entre le disque considéré ( 4) et la paroi de l'enceinte ( 1) dans une zone marginale du courant de mélange à traiter o la vitesse axiale de fuite est réduite au minimum. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen annihilant partiellement au moins les fuites consiste en de petites pales axiales (a; b; c; d) formées à la périphérie de l'un au moins quelconque des éléments constitués par les disques ( 4) et la partie fixe ( 1 et/ou 12), de l'enceinte pour engen- drer un rideau axial de fluide s'écoulant à contre-courant vers l'amont dans la fente annulaire ( 13 ou 14) précitée, le rideau imposant alors que le mélange soit traité en totalité et que la phase séparée la plus dense s'achemine vers l'amont le long de la paroi de l'enceinte. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que, la partie fixe précitée de l'enceinte étant constituée par la paroi même de cette enceinte ( 1), les petites pales (d) sont formées à la périphérie d'une plage annulaire ( 15) des disques ( 4) exempte d'ajourages ( 8) sur une largeur suffisante et orientées pour diriger le rideau de balayage vers l'amont. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que, la partie fixe précitée de l'en- ceinte étant constituée par un empilage de déflecteurs tronconiques ( 12) dont le bord intérieur est situé rigou- reusement en regard des disques ( 4), les petites pales (a) sont formées sur le bord des disques. 6. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que, la partie fixe précitée de l'enceinte étant constituée par un empilage de déflecteurs tronconiques ( 12) dont le bord intérieur est situé rigoureusement en regard des disques ( 4), les petites pales (b) sont formées sur ce bord des déflecteurs. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps tronconique des déflecteurs ( 12) est solidaire d'une collerette annulaire plane intérieure ( 17) prolongeant les disques ( 4) et dans laquelle les petites pales (c) sont formées. 8 Appareil selon l'une quelconque des 252252 e ela -13 -14