Brevet FR2514668A1 — publié le 19830422

La présente invention concerne un séparateur à cyclone Des séparateurs typiques à cyclone comportent une entrée de la matière d'alimentation à trier, un corps recevant l'alimentation et dans lequel s'effectue la sépara- tion cyclonique, une sortie par débordement de ce corps par laquelle la matière généralement plus légère, dite ci-après "matière légère", quitte le séparateur, et une sortie de l'écoulement inférieur du corps par laquelle la matière géné- ralement plus lourde (dite ci-après "matière lourde") quitte le séparateur. L'invention concerne un séparateur à cyclone pour séparer une matière légère, caractérisé en ce que sa sortie par débordement comprend un dispositif, manoeuvrable au cours de l'utilisation du séparateur à cyclone, qui peut modifier l'aire de la surface efficace de section de la sortie par débordement, sensiblement dans le plan formant la limite théorique entre la sortie par débordement et le corps, tout en conservant une transition abrupte du corps à la sortie Par exemple, une diminution de cette surface réduit le débit de la matière qui quitte le corps du sépara- teur en empruntant la sortie par débordement La "matière (plus) légère" constitue la phase discontinue ou dispersée (qui peut, ou non, être le constituant majeur, sur base volumétrique). Un tel séparateur à cyclone peut simplifier la tâche du triage des matières lorsque le courant de la matière à trier par densité en des fractions "lourde" et "légère" est sujet à des variations des proportions rela- tives de ces fractions et, en outre, lorsqu'il est souhai- table de rendre maximale la concentration de la matière légère dans le courant qui quitte l'appareil en empruntant la sortie par débordement Si le rapport de séparation (c'est-à-dire le produit de la division du débit volumétri- que empruntant la sortie par débordement, par le débit de l'alimentation d'entrée)est inférieur à la concentration (en volume)de la matière légère dans l'alimentation, un peu de matière légère doit passer dans le courant qui sort en empruntant la sortie du courant inférieur Cela indi- que que, lorsqu'une telle fuite n'est pas souhaitable, il existe pour le rapport de séparation une valeur minimale que l'on peut utiliser pour chaque concentration de la matière légère Par ailleurs, si le rapport de séparation est très supérieur à la concentration (en volume) de la matière légère dans l'alimentation, la dilution de la ma- tière légère par la matière lourde sera excessive dans le courant de débordement Dans certains cas, un rapport élevé de séparation va conduire à une grande perte de pression entre l'alimentation et le courant de débordement. Jusqu'à présent; on a pu s'acquitter de la tâche consistant à choisir le meilleur dispositif de triage de matière en déviant le courant d'alimentation et en l'envoyant dans un cyclone dont la fourchette utile de rapports de séparation convenait bien, pour une séparation efficace, à la composition du courant à l'instant en cause Cela signi- fiait la non-utilisation de cyclones présentant d'autres fourchettes utiles de rapports de séparation En variante, on a pu, par exemple, faire varier le rapport de séparation lors du fonctionnement d'un cyclone en ajustant des vannes placées dans les écoulements d'entrée et de sortie du cyclone mais, dars un cyclone à dimension fixe de la sortie de dé- bordement, il existe une valeur minimale du rapport de sé- paration (lequel est fonction du nombre de Reynolds) au- dessous de laquelle la structure de l'écoulement devient défavorable à une séparation, par le cyclone, d'une matière légère et, ainsi, l'amplitude de la variation possible du rapport de séparation est limitée /Dans le cas d'un cyclone, le nombre de Reynolds se fonde sur le débit volumétrique total, la viscosité cinématique de la phase continue (c'est- à-dire la matière lourde) et une dimension caractéristique et non variable du cyclone 7 C'est ainsi qu'une grande sortie de débordement peut impliquer dans un cyclone donné un rapport minimal de séparation de 5 %, par exemple, et fonc- tionner bien dans la fourchette de 5 à 15 %, alors qu'une plus petite sortie de débordement peut impliquer dans le même cyclone un rapport minimal de séparation de 0,5 'O par exemple La petite sortie pourrait servir avec des rapports de 5 % et au-dessus lorsqu'on effectue un ajustement extrê- me des vannes, mais la chute de pression alors nécessaire dans la traversée du cyclone serait exorbitante et, donc, pour pouvoir choisir des rapports de séparation compris entre 0,5 % et 15 % sans devoir faire passer alternativement l'écoulement entre deux ou plusieurs cyclones, il est sou- haitable de pouvoir utiliser une sortie par débordement de dimension variable. Le dispositif destiné à modifier l'aire de la surface de section de la sortie de débordement (et destiné donc à ajuster automatiquement le rapport de séparation) peut prendre l'une quelconque de diverses formes possibles. Par exemple, on peut monter un mécanisme du type diaphragme à iris à la sortie de débordement En variante, on peut monter une plaque de manière qu'elle coulisse (dans un plan perpendiculaire à l'axe du cyclone) devant la sortie de débordement, cette plaque présentant un ou des bords qui, progressivement, à mesure que la plaque coulisse, ferme(nt) la sortie. Cependant, il est préférable que la paroi interne du séparateur à cyclone, dans laquelle la sortie de déborde- ment estformée, soit sensiblement lisse, malgré la présence du dispositif en cause, et, par conséquent, ces mécanismes du type diaphragme à iris ou ces plaques ne constituent pas la meilleure solution. Le dispositif peut donc comprendre un bouchon qui, au moins dans une première position (qui sera définie ci-après) peut présenter un ajustement glissant ou serré dans la sortie de débordement et qui peut se déplacer entre deux positions, une première dans laquelle l'extrémité de ce bouchon affleure ladite paroi interne, et une seconde dans laquelle le bouchon est essentiellement retiré de la sortie de débordement, ce bouchon comportant un orifice (de préférence central) parallèle à l'écoulement de déborde- ment On voit donc que l'orifice ménagé dans le bouchon constitue pour l'écoulement de trop-plein une sortie à sur- face réduite en section lorsque le bouchon se trouve dans sa première position Dans sa seconde position, ce bouchon laisse au courant de débordement la possibilité d'emprunter la sortie d'origine plus grande De préférence, le sépara- teur à cyclone comporte une pointe fixe qui, lorsque le bouchon se trouve dans sa seconde position, emprunte l'ori- fice pour le nettoyer,car cet orifice, étant petit, peut se boucher. En variante, on peut prévoir un ensemble de bouchons,tels que décrits cidessus, pour donner un plus grand choix d'aires de surface de section de sortie de dé- l O bordement et, donc, un plus grand choix de rapports de sé- paration Ainsi, l'ensemble minimal, formé d'un bouchon externe et d'un bouchon interne, va donner le choix entre trois aires de surface de section de sortie. L'invention propose un procédé pour effectuer, sur un courant soumis à des variations de composition, un triage de la matière selon la densité et/ou la dimension de cette matière, ce procédé consistant à faire passer le courant dans un séparateur à cyclone selon ce qui est indi- qué ci-dessus et à faire fonctionner ledit dispositif de manière à modifier l'aire de surface de section de la sortie de débordement, en réponse à de telles variations de compo- sition Eventuellement, le dispositif peut fonctionner en réponse à un signal provenant d'un détecteur placé dans le courant d'entrée (ou d'alimentation) ou dans l'un des courants de sortie, ou en réponse à un signal provenant d'un détec- teur disposé de manière à déceler le bouchage de la sortie de débordement (notamment lorsque cette sortie présente une aire de surface de section réduite). La matière légère peut être un gaz Cependant, la présence d'un gaz, en plus de la matière légère à séparer, peut inciter à ne pas utiliser une petite sortie de déborde- ment,mais à faire appel à une sortie plus grosse avec aug- mentation du rapport de séparation afin de maintenir l'ef- ficacité de cette séparation On peut modifier la dimension de la sortie pour correspondre d'un instant à l'autre à la proportion de gaz contenue dans le courant à traiter. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, à titre illustratif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe, le long de l'axe d'un cyclone, de l'intérieur d'un corps de séparateur à cy- clone, avec enlèvement d'une partie de l'extrémité pour rendre la figure plus claire, et cette figure montre un appareil comportant un dispositif selon l'invention; la figure 2 est une coupe schématique, le long d'un plan comprenant l'axe, de l'appareil de la figure 1; et la figure 3 est une coupe, dans un plan compre- l O nant l'axe, d'un autre séparateur à cyclone selon l'inven- tion. En se référant aux figures 1 et 2, on voit qu'un corps 1 de séparateur à cyclone comporte une sortie 2, formée au centre d'une paroi terminale plane 3, pour le courant de débordement ou de surface. Un trou 6 est radialement formé dans le corps 1 et il débouche dans une rainure 9 borgne et plane de gui- dage qui coupe la sortie 2 La rainure 9 se trouve derrière la paroi terminale 3,mais aussi près que possible de celle- ci, comme on le voit mieux sur la figure 2 La rainure 9 loge une mince plaque 5,qui peut y coulisser et qui est actionnée par une queue 8, solidaire de la plaque, et empruntant le trou 6, cette queue étant équipée d'un joint torique d'étan- chéité La queue 8 est actionnée par des organes non repré- sentés lorsque, le séparateur à cyclone étant en fonction- nement, un détecteur,placé dans l'alimentation destinée au cyclone, détecte le fait qu'une caractéristique prédétermi- née de l'alimentation (telle que sa densité) est allée au-delà d'une limite prédéterminée. La plaque coulissante 5 présente une entaille profonde 7, que l'on voit mieux sur la figure 1-et qui peut partiellement fermer la sortie 2 de débordement, sensible- ment dans le plan de la paroi terminale 3. Dans la position de la plaque coulissante 5 re- présentée en trait plein sur la figure 1, l'entaille 7 a réduit la surface "libre" ou "ouverte" de la sortie 2 à un tiers environ de l'aire de surface efficace de cette sor- tie Pour continuer à se rapprocher, dans une certaine me- sure d'une sortie de forme ronde, la base de l'entaille 7 est arrondie, le rayon de courbure de cette base représentant le tiers environ du rayon de la sortie circulaire 2. Sur des "instructions" provenant du détecteur, la plaque coulissante 5 peut se déplacer à la position représentée sur la figure 2, ou représentée en traits mixtes sur la figure 1, ce qui rend la totalité de la sortie 2 disponible pour recevoir une fraction "légère" de matière triée par le séparateur Ainsi, le rapport de séparation a été augmenté pendant le fonctionnement du cyclone et sans interruption de la séparation que ce cyclone effectuait. Au lieu de l'entaille 7 à extrémités ouvertes, la plaque 5 peut comporter, pour des raisons de résistance mécanique, une traverse reliant les extrémités distales des bras déli- mitant l'entaille, c'est-à-dire que la plaque 5 peut pré- senter un trou de forme générale triangulaire et ayant le même effet de constriction réglable que l'entaille. Plutôt qu'un détecteur de type "tout ou rien", on peut utiliser un détecteur "proportionnel" pouvant dépla- cer la plaque coulissante 5 vers n'importe quelle position intermédiaire et, donc, ajuster le rapport de séparation à n'importe quelle valeur intermédiaire Si on ne souhaite pas cela, la plaque 5 peut, au lieu d'une entaille, comporter deux ou plusieurs trous ronds de dimensions différentes, dont chacun peut successivement recouvrir la sortie 2 pour en ajuster la dimension efficace. La figure 3 montre une autre forme de réalisa- tion selon l'invention,et l'on peut voir sur cette figure qu'un corps 10 de séparateur à cyclone offre au courant de débordement une sortie cylindrique 12 s'ouvrant au centre d'une paroi terminale plane 13. Un bouchon cylindrique 15, percé d'un trou axial débouchant 16, est monté à ajustement glissant dans la sor- tie 12 et peut se déplacer entre deux positions Ce bouchon est représenté sur la figure 3 dans sa première position, dans laquelle il affleure la paroi terminale 13 en offrant en fait au courant de débordement du séparateur à cyclone une sortie ayant la forme du trou 16 Le courant de débordement emprunte le trou 16 et passe par un conduit 17 pour se diri- ger vers un collecteur. Sur des instructions provenant d'un détecteur, comme dans le cas de la forme de réalisation représentée sur la figure 1, un dispositif représenté schématiquement en 20 rétracte le bouchon 15 à sa seconde position, repré- sentée en traits mixtes et qui libère tout juste le con- duit 17 De cette façon, la totalité de l'aire de la surface transversale de la sortie 12 est dégagée et peut recevoir le courant de débordement, ce qui revient à dire que le rapport de séparation est augmenté Une pointe fixe 18 de nettoyage transperce le bouchon lorsque celui-ci se trouve à sa seconde position pour débarrasser le trou-16 des dépôts ou obstructions qui sont rejetés dans le conduit 17 Dans un exemple d'essai effectué sur une dispersion huile/eau de composition constante à l'entrée, on a, sans changer la concentration de l'huile dans le courant inférieur, réduit à 1 v, lorsque le bouchon a été déplacé à sa première position, un rapport de séparation qui était de 5 % lorsque le bouchon était dans sa seconde position Pour réaliser un ajustement fin du rapport de séparation lorsque le bouchon se trouve dans l'une ou l'autre de ses positions, on peut faire appel à une vanne ou robinet placé dans le trajet du courant inférieur Un moyen moins intéressant de réaliser un ajustement fin pourrait consister en une vanne ou un ro- binet placé sur le trajet du courant de débordement, ou bien en l'utilisation de vannes placées sur le trajet des deux courants de sortie. Pour éviter la présence d'un trou fortement éta- gé (ce qui pourrait altérer fortement l'écoulement) lorsque le bouchon 15 se déplace vers sa seconde position, des gorges 19 s'étendant axialement, disposées radialement et espacées à la périphérie de la sortie 12, peuvent être ména- gées pouragrandir cette sortie 12 Ces gorges 19 (dont une seule est représentée) débouchent dans le conduit 17 Les gorges 19 s'arrêtent juste avant la paroi terminale 13 Lors- que le bouchon 15 est un peu rétracté, le courant de déborde- ment peut commencer à emprunter les gorges 19, ce qui augmente aussi rapidement que possible le rapport de séparation. En raison de l'abrasion risquant de se manifester à l'endroit o la sortie 12 quitte la paroi terminale 13, le "coin" peut consister en une bague rapportée 21, remplaça- ble, et réalisée en une matière dure et pouvant résister à l'érosion (par exemple en du carbure de tungstène ou en de l'alumine) Cela va considérablement diminuer "l'arrondis- sement"de ce coin en cours d'utilisation, en conservant ainsi la forme géométrique initialement prévue Le bouchon peut être réalisé en une matière analogue. Au lieu de la configuration illustrée du conduit 17, il peut y avoir deux conduits axialement espacés et de direction radiale par rapport à l'axe de la sortie 12, de manière que, dans l'une ou l'autre position du bouchon 15, un seul conduit reçoive le courant -de débordement Cha- que conduit peut alors comporter ses propres vannes ou ro- binets de commande et récipients de collecte, selon les désirs. Au lieu des gorges 19 et d'un bouchon 15 de forme strictement cylindrique, ce bouchon peut présenter une forme tronconique (plus étroite à l'extrémité voisine de la paroi 13) ou tout au moins, présenter une position tron- conique en cet endroit Cette partie (de la première posi- tion) pourrait s'appuyer sur la sortie 12 qui, de façon cor- respondante, présenterait une forme tronconique divergeant de la paroi 13 vers le conduit 17 Cette forme tronconique évite les inconvénients techniques d'un bouchon coulissant. Comme autre possibilité pour remplacer les gorges l 9,et si le dispositif 20 peut opérer assez rapidement, comme dans le cas d'un dispositif pneumatique d'actionnement, pour effectuer le retrait, le bouchon 15 peut être retiré ou replacé assez rapidement pour ne pas troubler la struc- ture des écoulements se déplaçant dans le cyclone Dans un tel cas, les gorges 19 ne sont plus nécessaires. Le bouchon 15 peut consister en plusieurs bagues concentriques emboîtées, dont chacune peut se rétracter vers une seconde position indépendamment de toutes les bagues plus larges, mais seulement lorsque toutes les bagues plus petites ont été rétractées, ou sont en cours de rétraction, de façon à offrir non pas deux rapports seulement de séparation, mais tout un choix de rapports de séparation. En pratique, un opérateur peut souhaiter ajuster rapidement le rapport de séparation, peut-être à la suite d'une variation soudaine de la composition d'alimentation, et tous les exemples décrits et représentés vont permettre un tel ajustement rapide. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'in- vention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif, décrit et représenté, de réglage de l'aire de la surface de sortie du courant de débordement d'un séparateur à cyclone. REVENDICATIONS 1 Séparateur à cyclone, destiné à séparer une matière légère et caractérisé en ce que sa sortie, des- tinée au courant de débordement, comporte un dispositif, manoeuvrable en cours d'utilisation du séparateur à cyclone, qui peut modifier l'aire de la surface transversale efficace de la sortie ( 2, 12) sensiblement dans le plan formant la limite théorique entre la sortie ( 2, 12) et le corps ( 1, 10) du séparateur, tout en conservant une transition abrupte du corps ( 1, 10) à la sortie ( 2, 12) - 2 Séparateur à cyclone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif est un mécanisme du type diaphragme à iris monté à la sortie ( 2, 12) du courant de débordement. 3 Séparateur à cyclone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif est une plaque ( 5) montée de manière à coulisser (dans un plan perpendiculaire à l'axe du cyclone) devant la sortie ( 2) du courant de dé- bordement, la plaque ( 5) comportant un ou des bords qui ferme(nt) progressivement la sortie ( 2) lors du coulissement de la plaque ( 5). 4 Séparateur à cyclone selon la revendication 1, caractérisé en ce que, malgré la présence dudit dispositif, la paroi interne ( 3, 13) du séparateur à cyclone, dans la- quelle la sortie ( 2, 12) est formée, est essentiellement lisse. Séparateur à cyclone selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif comprend un bouchon ( 15) qui, au moins en une première position, présente un ajustement glissant ou serré dans la sortie ( 12) et qui peut se déplacer entre une première position, dans laquelle l'extrémité du bouchon ( 15) affleure ladite paroi interne ( 13),et une seconde position dans laquelle l'extrémité du bouchon ( 15) est essentiellement rétractée de la sortie ( 12), ce bouchon ( 15) étant percé d'un trou ( 16) parallèle au sens de l'écoulement de débordement. 6 Séparateur à cyclone selon la revendication , caractérisé en ce que le trou ( 16) est central dans le 1 l bouchon ( 15). 7 Séparateur à cyclone selon l'une des reven- dications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte également une pointe fixe ( 18) qui passe par le trou ( 16) lorsque le bouchon ( 15) se trouve dans sa seconde position. 8 Séparateur à cyclone selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de bouchons dont chacun correspond à la revendi- cation 5 ou 6, de manière à donner un choix entre au moins trois aires de surface transversale de sortie ( 12) de dé- bordement. 9 Procédé pour soumettre un courant, sujet à des variations de composition, à un tri, selon la densité et, éventuellement ou en variante, la dimension des parti- cules ou fractions de la matière contenue, procédé caracté- risé en ce qu'on fait passer le courant dans un séparateur à cyclone selon l'une quelconque des revendications précé- denteset l'on manoeuvre ledit dispositif de façon à modifier, en fonction desdites variations de composition, l'aire de la section transversale de la sortie du courant de débordement. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la manoeuvre du dispositif est effectuée en ré- ponse à un signal provenant d'un détecteur placé dans le courant d'entrée ou d'alimentation ou dans l'un des courants de sortie, ou en réponse à un signal provenant d'un détecteur monté de manière à déceler un bouchage de la sortie du cou- rant de débordement. 11 Procédé selon l'une des revendications 9 et , destiné à trier la matière selon sa densité et caracté- risé en ce que la matière moins dense est un gaz.