Brevet FR2520260A1 — publié le 19830729

La présente invention concerne un procédé et un appareil de séparation d'une substance fluide condensée en ses constituants ayant différentes masses particulai- res, à l'aide de la force centrifuge dans des dispositifs à écoulement turbulent, par exemple dans des cyclones, de façon que pendant la rotation les particules de grande masse se concentrent dans les parties externes d'un tour- billon séparateur et les particules de masse plus faible se concentrent dans les parties du tourbillon séparateur qui sont plus proches du centre de rotation. Dans le présent mémoire l'expression "substance fluide condensée" désigne des substances fluides solides, pulvérulentes et fibreuses, des courants de liquide, des gouttes de liquide ainsi que leurs mélanges Ainsi, le terme "particules" désigne des particules solides, des gouttes de liquide, des molécules de liquide, des molécu- les de gaz ou des atomes de gaz L'expression "chambre de séparation" désigne diverses chambres à turbulences aussi bien que des tubes et chambres de circulation dans les- quels une séparation est réalisée sous l'effet de la force centrifuge. On connatt en dynamique des fluides un écoule- ment turbulent libre, tel que la vitesse tangentielle V est donnée en fonction du rayon r de rotationpar la for- mule: V = k r ( 1) Donc, dans les parties centrales d'un tourbillon ou "vortex", la pression est inférieure à celle régnant dans les parties externes. En pratique, dans les séparateurs à tourbillons, la vitesse tangentielle est légèrement réduite en raison des frottements qui se produisent dans un tourbillon Dans des séparateurs à tourbillon utilisables à l'échelle in- dustrielle, la vitesse tangentielle, dans un tourbillon séparateur, est donnée par la formule: V = k rn 1 Dans ce cas également, la pression régnant au mi- lieu d'un tourbillon est inférieure à celle existant dans les zones périphériques Dans un tourbillon séparateur, l'énergie de pression se transforme en énergie cinétique. Dans le présent mémoire, l'expression "tourbillon sépara- teur" désigne un tourbillon satisfaisant à la formule ( 2), et dans lequel la pression est très nettement plus faible au centre que dans les zones périphériques Si la forme d'un tourbillon est différente de la forme circulaire, la formule ( 2) ne peut s'appliquer qu'approximativement. On connait également en dynamique des fluides un écoulement tourbillonnaire forcé, dont la vitesse tangen- tielle est donnée par la formule: V = K r ( 3) La vitesse angulaire est ainsi constante dans di- verses sections d'un tourbillon Au milieu d'un tourbillon forcé, la pression n'est pas nettement inférieure à celle régnant dans les zones périphériques, puisqu'il n'y a pas transformation d'énergie de pression en énergie cinétique. Dans le présent mémoire, l'expression "tourbillon forcé" désigne un tourbillon correspondant, de façon précise ou approchée, à la formule ( 3) Si un tel tourbillon n'a pas une forme circulaire, la formule ( 3) ne peut s'appliquer qu'approximativement Un tourbillon forcé est dû à l'action d'un mouvement externe. On connatt déjà plusieurs types de séparateurs à tourbillons, comme des cyclones, dans lesquels le tourbil- lon est confiné par des surfaces cylindriques et coniques. Généralement, une chambre de turbulence comporte des sur- faces lisses, et la paroi d'une telle chambre est continue dans la direction de l'écoulement turbulent Par exemple, on a construit des cyclones multiples par disposition de tels séparateurs à tourbillons fonctionnant de manière in- dépendante, en parallèle les uns aux autres Un exemple d'une telle disposition est décrit dans le brevet US A - 3 747 306 En outre, plusieurs brevets décrivent des sépa- rateurs à tourbillons dans lesquels deux tourbillons sont en contact tangentiel l'un avec l'autre, si bien que des particules d'une certaine dimension peuvent passer tangen- tiellement d'un tourbillon à l'autre. Le brevet finlandais N O 813 387 décrit un procé- dé selon lequel deux ou plusieurs tourbillons séparateurs, disposés parallèlement, sont mis en contact par paires et latéralement. Un inconvénient des séparateurs à tourbillons de l'art antérieur est que la force centrifuge repousse en tourbillon d'une substance fluide à séparer contre les surfaces externes qui le délimitent Ainsi, le frottement ralentit le mouvement d'un tourbillon et provoque une tur- bulence au voisinage des parois Le frottement et la tur- bulence résultante créent des pertes d'énergie considéra- bles En raison de la diminution de la vitesse de rotation, la force centrifuge et donc le pouvoir séparateur dimi- nuent à la périphérie externe qui constitue la zone la plus importante pour la séparation En outre, cette turbulence mélange à nouveau certaines des parties déjà séparées au- paravant Les cyclones multiples de l'art antérieur exi- gent donc beaucoup de place; ils sont lourds et volumineux. En raison des pertes dues au frottement, il est très dif- ficile d'obtenir, dans le cas des séparateurs à tourbil- lons actuellement connus, de grandes vitesses de tourbil- lonnement. Dans le brevet finlandais précités NO 813 387, le frottement sur la paroi est réduit, mais la violente collision des tourbillons diminue partiellement l'effet bénéfique sur la consommation d'énergie. La présente invention remédie aux inconvénients précités et concerne à cet effet un procédé selon lequel un tourbillon séparateur et un tourbillon forcé sont mis en contact latéralement et deux par deux, afin qu'ils en- trent en collision suivant un angle de O à 900 tout en tournant dans des sens opposés Les tourbillons disposés parallèlement forment avantageusement un ensemble dans le- quel les centres de rotation sont disposés suivant un ré- seau carré régulier, en coupe transversale Dans cet ensem- ble, un tourbillon forcé est avantageusement entouré, à sa périphérie, par plusieurs tourbillons séparateurs, ou un tourbillon séparateur est entouré, à sa périphérie, par plusieurs tourbillons forcés. L'invention concerne aussi un appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé ci-dessus et comportant des chambres parallèles de turbulence ou à tourbillons, dispo- sées par paires, s'interpénétrant partiellement et formant des zones de collision, les tourbillons parallèles tour- nant en sens opposés Dans un tel appareil de séparation par tourbillon, la substance fluide à séparer peut être in- troduite dans la zone commune ou de collision des chambres à tourbillons Ces dernières forment avantageusement un réseau régulier carré et sont parallèles l'une à l'autre. Une chambre à tourbillons peut ainsi être entourée, à sa périphérie, par d'autres chambres à tourbillons Un répar- titeur de courant est avantageusement disposé entre quatre chambres parallèles à tourbillons, et il présente en coupe, une forme à quatre branches; il peut aussi avoir des gorges ou rainures, ou des ondulations, dans la direction d'écou- lement d'un tourbillon séparateur Dans un appareil de sé- paration selon l'invention, des chambres à tourbillons ad- jacentes peuvent être décalées en direction axiale. L'invention sera décrite plus en détail, à titre illustratif et nullement limitatif, en regar'd des dessins annexés'sur lesquels: Fig 1 est une coupe d'un appareil selon l'in- vention, formant un tourbillon forcé entre deux tourbil- lons séparateurs. Fig 2 est une coupe d'un appareil selon l'in- vention,formant un tourbillon forcé entre quatre tour- billons séparateurs. Fig 3 est une élévation latérale d'un appa- reil de séparation selon l'invention. Fig 4 est une coupe le long de la ligne IV-IV de la figure 3. Fig 5 est une coupe axiale d'un appareil de sé- paration selon l'invention. Fig 6 est une coupe le long de la ligne VI-VI de la figure 5. Fig 7 est une perspective axonométrique d'une forme de réalisation d'un répartiteur de courant. Fig 8 est une perspective axonométrique d'une autre forme de réalisation d'un répartiteur de courant. Fig 9 est une vue en plan représentant la varia- tion de section d'un répartiteur de courant selon la fi- gure 8. Fig 10 est une coupe axiale le long de la ligne X-X de la figure 8. Fig 11 est une,élévation latérale d'une forme de réalisation d'une alimentation tangentielle destinée à l'appareil de la figure 6. Fig 12 est une perspective d'un appareil sépa- rateur selon l'invention, dans lequel les tourbillons sont coniques. Fig 13 est une perspective axonométrique de ré- partiteurs de courant d'un appareil de séparation dans lequel les tourbillons sont coniques; et Fig 14 est une perspective axonométrique d'un appareil de séparation selon l'invention, formant des tour- billons décalés en direction axiale. L'un des buts essentiels de la présente inven- tion est la réduction de contact entre un tourbillon sé- parateur et une surface qui le délimite à sa périphérie, et l'élimination des inconvénients dus à un tel contact. A cet effet, une partie de la surface qui délimite le tour- billon à sa périphérie est enlevée L'effet de support de la surface, tendant à repousser le tourbillon vers l'in- térieur, est remplacé par la collision d'un tourbillon sé- parateur et d'un tourbillon forcé pendant leur rotation, de sorte que ces tourbillons se repoussent mutuellement. En se heurtant mutuellement selon de petits angles, les tourbillons ne créent pas de turbulence et leur frotte- S' ment est insignifiant pourvu que les vitesses de rotation soient égales Un tourbillon séparateur prend une forme presque circulaire en raison de sa plus forte force cen- trifuge, si bien que la perte d'énergie due à une confi- guration anguleuse est réduite. Les figures annexées représentent, à titre d'ex- emple, quelques formes de réalisation de l'invention, et elles illustrent la mise en oeuvre de l'invention En fait, l'invention a plusieurs formes diverses de réalisation. Les formes et dimensions de l'appareil selon l'invention sont choisies en fonction de l'application finale prévue. Des recherches expérimentales et des études théoriques peu- vent contribuer à faciliter ce choix. Sur les figures annexées, les références numéri- ques ont la signification suivante 1 surface qui délimite le tourbillon du côté de sa pé- riphérie externe; 2 direction générale du trajet de déplacement de tour- billon séparateur; 3 -direction générale du trajet de déplacement d'un tour- billon forcé; chambre à tourbillon,logeant un tourbillon sépara- teur ou un tourbillon forcé; 12 tube d'admission tangentiel, par lequel des particu- les à séparer entrent dans un espace de séparation; 13 tube axial de sortie des particules de faible masse, après la séparation; 14 tube axial de sortie des particules de grande masse, après la séparation; 39 répartiteur de courant destiné à séparer divers tour- billons les uns des autres; 49 zone de collision, dans laquelle un tourbillon sépara- teur et un tourbillon forcé entrent en collision; 47 couvercle de chambre à turbulences ou tourbillons; et 49 centre de rotation de tourbillon. Les figures 1 et 2 représentent des tourbillons séparateurs 2 qui sont mis en rotation à grande vitesse et qui font tourner entre eux un tourbillon forcé 3 Le tourbillon forcé 3 reçoit son énergie des tourbillons sé- parateurs 2 qui l'entourent Le tourbillon forcé 3 a un rôle de support des tourbillons séparateurs 2 et ne parti- cipe pas activement à la séparation proprement dite En principe, la matière se trouvant dans le tourbillon forcé 3 pourrait parcourir presque continuellement son orbite. En pratique, la composition de la matière soumise au tour- billon forcé 3 se modifie progressivement C'est princi- palement le constituant le plus lourd d'un mélange à sépa- rer qui tend à s'accumuler dans ce tourbillon forcé 3 Une sortie individuelle peut être ménagée dans le tourbillon forcé pour l'évacuation de ce constituant lourd Le sommet et la base d'un tourbillon forcé sont généralement fer- més, mais leur configuration peut être par exemple en for- me de dôme ou de coupelle. L'élévation latérale de la figure 3 représente un appareil à tourbillons selon l'invention, comportant 4 x 4 tourbillons couplés Les dispositifs d'alimentation n'ont pas été représentés sur les figures L'alimentation de la substance fluide à séparer peut être réalisée axia- lement ou tangentiellement Dans le cas représenté sur la figure 3, les fractions à séparer entrent en direction a- xiale ( 13, 14) mais une disposition tangentielle est éga- lement possible L'alimentation des tourbillons sépara- teurs 2 peut aussi être réalisée par l'intermédiaire de tourbillons for cés 3. La coupe d'un appareil à tourbillons représentée sur la figure 4 indique que les chambres individuelles 10 à turbulences ou tourbillons ont des dimensions égales Dans ce cas, les répartiteurs 39 de courant sont formés par qua- tre tronçons lisses d'une surface cylindrique La dimen- sion des répartiteurs 39 peut beaucoup varier On peut uti- liser des répartiteurs 39 de courant même très petits. La coupe de la figure 5 représente un appareil à tourbillons comportant des entrées tangentielles 12 qui sont disposées entre un tourbillon séparateur 2 et un tourbillon forcé 3. La figure 6 représente en plan les entrées tan- gentielles 12 correspondantes. La figure 7 représente un répartiteur 39 de cou- rant qui a dans les directions d'écoulement des tourbil- lons, des gorges en forme de canal séparées par des nervu- res affilées Une telle forme permet la modification de la forme de la section axiale d'un tourbillon 2 à diverses étapes de la rotation Dans la zone 40 de collision de tourbillons individuels 2 et 3, l'interface de ces tourbil- lons est linéaire dans la direction axiale Lorsque les particules arrivent sur un répartiteur 39, tel que repré- senté sur la figure 7, elles sont également obligées de se déplacer partiellement en direction axiale Ainsi, des par- ticules ayant des masses différentes peuvent plus facile- ment se croiser dans les directions voulues de séparation. Dans un répartiteur 39 de courant, seule la surface tour- née vers un tourbillon séparateur 2 peut être en forme de canaux cependant que la partie tournée vers un tourbillon forcé 3 peut être lisse. Dans le type de répartiteur 39 de courant repré- senté sur les figures 8, 9 et 10, la coupe axiale a une forme ondulée Les tourbillons 2 et 3 sont chassés, vers les cavités séparant les crêtes arrondies La séparation est meilleure lorsque le tourbillon 2 a une forme réguliè- re en direction axiale comme en direction radiale. La figure 11 représente un détail d'une réalisa- tion possible d'une entrée tangentielle 12 dans le cas représenté sur les figures 5 et 6. Les figures 12 et 13 représentent une forme de réalisation de chambres coniques à tourbillons La largeur d'une zone 40 de collision peut être choisie à volonté. Les séparateurs 39 de courant peuvent avoir des faces co- niques lisses,-ces surfaces peuvent être ondulées ou sinueu- ses dans la direction d'écoulement du tourbillon 2 o elles peuvent comporter une ou plusieurs gorges en direction axia- le. La figure 14 représente un appareil à tourbillons selon l'invention, dans lequel les tourbillons sont déca- lés en direction axiale La substance à séparer est intro- duite dans le tourbillon central supérieur d'o certaines particules peuvent passer en direction latérale à d'autres tourbillons ayant des positions inférieures. REVENDICATIONS 1 Procédé de séparation d'une substance fluide condensée en ses constituants ayant différentes masses par- ticulaires, à l'aide de la force centrifuge, par mise en oeuvre d'appareils à écoulement turbulent libre, par exem- ple des cyclones, de façon que pendant le mouvement de ro- tation les particules de grande masse se concentrent dans les parties externes d'un tourbillon séparateur ( 2) et que les particules de plus faible masse se concentrent dans 1 o les parties d'un tourbillon séparateur ( 2) plus proches d'un centre de rotation ( 49), procédé caractérisé en ce qu'il comprend la mise en contact, deux à deux et latéra- lement, d'un tourbillon séparateur ( 2) et d'un tourbillon forcé ( 3) de manière qu'ils entrent en collision selon un angle de O à 900 tout en tournant dans des sens opposés. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les tourbillons ( 2 et 3) disposés parallè- lement forment' un ensemble dans lequel, en coupe trans- versale, les centres de rotation ( 49) forment un réseau carré régulier. 3 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les tourbillons ( 2 et 3) disposés parallè- lement forment un ensemble dans lequel le tourbillon for- cé ( 3) est entouré, à sa périphérie, par plusieurs tour- billons séparateurs ( 2). 4 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les tourbillons séparateurs ( 2 et 3) dis- posés parallèlement forment un ensemble dans lequel le tourbillon séparateur ( 2) est entouré à sa périphérie par plusieurs tourbillons forcés ( 3). Appareil destiné à la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des chambres ( 10) parallèles de tur- bulence ou à tourbillons pénètrent partiellement, l'une dans l'autre par paires en formanit des zones ( 40) de col- lision entre les tourbillons parallèles ( 2,3) qui tournent dans des sens opposés. 1,1 6 Appareil selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la substance fluide à séparer est introdui- te dans la zone ( 40) de collision fermée entre les cham- bres ( 10) à tourbillons. 7 Appareil selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les chambres ( 10) à tourbillons sont paral- lèles et forment un réseau carré régulier. 8 Appareil selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'une chambre ( 10) à tourbillon est entourée d'autres chambres ( 10) à tourbillons. 9 Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 5 à 7, caractérisé en ce qu'un répartiteur ( 39) de courant ayant une section a une forme à quatre bran- ches, est disposé entre quatre chambre parallèles ( 10) à tourbillons. Appareil selon la revendication 9, caracté- risé en ce que le répartiteur ( 39) de courant comporte une ou plusieurs gorges dans la direction de déplacement d'un tourbillon séparateur ( 2). 11 Appareil selon la revendication 9, caracté- risé en ce que le répartiteur ( 39) de courant est ondulé dans la direction de déplacement d'un tourbillon séparateur ( 2). 12 Appareil destiné à la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractéri- sé en ce que les chambres ( 10) à tourbillons adjacentes sont décalées en direction axiale.