Brevet FR2515528A1 — publié le 19830506

La présente invention concerne un procédé et un appa- reil pour séparer un milieu en composants ayant différentes masses de particules à l'aide d'une force centrifuge dans des dispositifs, par exemple des cyclones, opérant avec un écoule- ment turbulent libre, de manière que des particules de masse plus élevée se concentrent au cours de la rotation dans les parties extérieures d'un vortex séparateur et que des parti- cules ayant une masse moins élevée se concentrent dans les parties d'un vortex séparateur qui sont plus rapprochées du centre de rotation. Le terme "milieu" utilisé dans la présente description est destiné à se rapporter à des écoulements de substances solides pulvérulentes et fibreuses,à des écoulements de liquide, à des gouttes de liquide et à des gaz ainsi qu'à des mélanges de matières précitées De la même manière, le terme "particules" se rapporte à des particules solides, à des gouttes de liquide, à des molécules de liquide, à des molécules de gaz et à des atomes de gaz Le terme "chambre de séparation" se rapporte à différentes chambres de turbulence ainsi qu'à des tuyaux d'écoulement et à des chambres d'écoule- ment dans lesquels la séparation est effectuée au moyen d'une force centrifuge. On connaitdans l'art antérieur différents types de séparateurs-opérant par turbulence, tels que des cyclones et coniques comportant des surfaces cylindriques/de limitation de turbu- lence Habituellement, une chambre de turbulence comporte une surface lisse et la paroi de la chambre est continue dans la direction de l'écoulement turbulent En disposant de tels séparateurs de turbulence opérant individuellement parallèle- ment entre eux, il a été possible de réaliser par exemple des multicyclones Un exemple de tels dispositifs a été décrit dansle brevet US 3 747 306 En outre, dans plusieurs brevets, on a décrit des séparateurs opérant par turbulence et dans lesquels deux vortex séparateurs sont reliés tarngentiellement entre eux de façon à permettre le passage tangentiel de parti- cules d'une certaine dimension d'un vortex séparateur à l'autre On connait également un système de turbulence dans lequel un milieu à séparer est introduit tangentiellement entre deux vortex séparateurs Un exemple d'un tel appareil a été décrit dans le brevet US 4 248 699. Un inconvénient rencontré avec de tels séparateurs à turbulence connus consiste en ce que la force centrifuge pousse le vortex séparateur formé par le milieu à séparer en direction des surfaces de délimitation extérieure En consé- quence, le frottement produit une décélération du mouvement du vortex et crée une turbulence à proximité des parois Le frottement et la turbulence résultante engendrent des pertes d'énergie considérables Du fait de la diminution de la vitesse de rotation, la force centrifuge, et par conséquent l'effica- cité de séparation, sont réduites En outre, il se produit par turbulence un nouveau mélange du constituant déjà séparé. Les multicyclones de type connu nécessitent un grand encombre- ment et leurs structures ont une masse élevée Du fait des pertes engendrées par frottement, il est difficile, avec les séparateurs à turbulence disponibles, d'atteindre les vitesses élevées de turbulence qui sont nécessaires pour la séparation, par exemple, de gaz de mélanges gazeux Le frottement augmente beaucoup avec un accroissement de la vitesse En raison de l'effet de freinage provoqué par le frottement, un milieu à séparer ne peut pas rester en rotation et est donc soumis à une séparation efficace lors de très longues durées. La présente invention a pour objet de supprimer les inconvénients précités en proposant un procédé dans lequel deux ou plusieurs vortex séparateurs parallèles sont amenés par paire et latéralement au contact l'un de l'autre de telle sorte que lesdits vortex séparateurs fassent un angle entre eux de O à 90 tout en tournant dans des directions opposées. L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention est décrit en détail ci-après. L'invention est illustrée, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels Fig 1 montre un système de turbulence selon l'invention dans lequel les vortex séparateurs disposés côte- à-côte sont agencés par paire et latéralement au contact l'un de l'autre. Fig 2 montre un système de turbulence selon l'invention dans lequel les vortex sont sous la forme d'une ellipse. Fig 3 est une vue de côté d'un cyclone selon la présente invention. Fig 4 est une coupe faite suivant la ligne IV- IV de la fig 3, Fig 5 est une coupe axiale d'un appareil à cyclone conforme à l'invention, Fig 6 est une coupe faite suivant la ligne VI- VI de la fig 5, Fig 7 est une vue axonométrique d'un mode de réa- lisation d'un diviseur d'écoulement, Fig 8 est une vue axonométrique d'un autre mode de réalisation d'un diviseur d'écoulement, Fig 9 est une vue en coupe d'une variante du divi- seur d'écoulement de la fig 8, Fig 10 est une coupe faite le long de l'axe de rotation suivant la ligne X-X de la fig 8, Fig Il est une vue latérale montrant un agencement d'une alimentation tangentielle conforme à la fig 6, Fig 12 est une vue en perspective d'un appareil à cyclone conforme à l'invention dans lequel les vortex sont coniques, Fig 13 est une vue axonométrique de diviseurs d'écoulement intervenant dans un appareil à cyclone dans lequel les vortex séparateurs sont coniques, Fig 14 est une vue axonométrique d'un système à turbulence conforme à l'invention dans lequel il n'est prévu aucune paroi entre les vortex séparateurs individuels, Fig 15 est une vue en coupe d'un système à chambr Es de tubulence conforme à l'invention dans lequel une chambre de turbulence est entourée périphériquement par plusieurs autres chambres de turbulence, Fig 16 est une vue axonométrique d'un système à cyclone conforme à l'invention dans lequel l'introduction d'un milieu dans le cyclone s'effectue en son centre, 15528 Fig 17 est une vue en coupe d'une centrifugeuse qui est pourvue sur sa périphérie et autour de son centre de rotation, d'un système à cyclone conforme à l'invention, Fig 18 est une vue en coupe axiale faite suivant la ligne XVIII-XVIII de la fig 17, Fig 19 est une vue en coupe axiale d'un cyclone conforme à l'invention dans lequel les vortex séparateurs sont coniques et les parois entre les vortex séparateurs sont omises en majeure partie, Fig 20 représente, dans leur principe, de petits diviseurs d'écoulement et les vortex séparateurs placés à. proximité, et Fig 21 représente dans leur principe des vortex séparateurs pour lesquels il n'est prévu aucun diviseur d'écou- lem&aib. L'objet essentiel de la présente invention est de réduire le contact entre un vortex séparateur et une surface délimitant ledit vortex séparateur sur la périphérie extérieure, l'inconvénient d'un tel contact étant par conséquent éliminé. A cet effet, une partie de la surface qui délimite le vortex séparateur sur la périphérie extérieure, ou bien la totalité de la surface, est enlevée L'action du support de la surface poussant le vortex séparateur vers l'intérieur est compensée en faisant pénétrer deux vortex séparateurs adjacents l'un dans l'autre au cours de la rotation, de manière que chacun d'eux pousse l'autre vers l'intérieur Les vortex séparateurs pénétrant l'un dans l'autre suivant un petit angle ne créent pas de turbulence et le frottement établi entre eux est essen- tiellement nul, à condition que les vitesses de rotation soient égales. Un autre objet de la présente invention est de mettre en mouvement d'oscillation radiale un milieu à séparer dans le vortex au moment o se produisent les collisions Ce mouvement d'oscillation radiale contribue à la séparation de particules ayant des masses différentes En disposant les points de collision à des distances uniformes l'un de l'autre, il est possible de produire dans le vortex séparateur un mouve- ment ondulatoire régulier qui se propage essentiellement dans la direction du rayon de rotation et qui assure alterna- tivement le rapprochement et l'éloignement des particules du milieu à séparer les unes des-autrers dans la direction du rayon de rotation Un impact dirigé radialement dès la périphérie extérieure vers la périphérie intérieure est capable de donner aux particules légères une plus grande vitesse en direction du centre de rotation que celle qui est donnée aux particules lourdes dont l'inertie ainsi que la force centrifuge sont supérieures. Les figures représentent à titre d'exemple certains modes de réalisation de l'invention et elles servent également à illustrer le mode de fonctionnement de l'invention En réalité, on peut envisager pour l'invention un grand nombre de modes différents de réalisation Les formes et les dimen- sions de l'appareil conforme à l'invention sont choisies en fonction d'une utilisation finale donnée Pour faciliter la tâche, il est possible de faire intervenir des recherches expérimentales et des études théoriques. La terminologie suivante est utilisée pour les compo- sants représentés sur les figures: 1 une surface définissant l'espace de séparation en direction de la périphérie extérieure, 2 le trajet de déplacement d'un vortex séparateur géné- ralement sans effet d'oscillation, un espace de séparation dans lequel des particules ayant différentes masses se séparent l'une de l'autre, ou bien une chambre de turbulence, 12 un tuyau d'entrée tangentielle par l'intermédiaire duquel les particules à séparer pénètrent dans l'espace de séparation, 13 un tuyau de sortie axiale pour des particules ayant une petite masse après la séparation, 14 un tuyau de sortie axiale pour des particules ayant une grande masse après la séparation, 39 un séparateur d'écoulement pour séparer différents vortex l'un de l'autre, une zone de collision o les vortex séparateurs pénètrent l'un dans l'autre, 47 un couvercle pour ladite chambre de turbulence 48 un tuyau d'alimentation axiale, 49 le centre de rotation d'un vortex séparateur, un petit diviseur d'écoulement, 490 le centre de rotation d'une centrifugeuse. La figure 1 représente un système à chambres de tur- bulence conforme à l'invention, dans lequel les chambres indi- viduelles de turbulence sont situées côte à côte dans un ensemble ayant la forme d'un carré régulier Des chambres de turbulence l ou espaces de séparation 10 sont latéralement en contact l'uoe avec l'autre de manière qu'approximativement la moitié de 1 surface de paroi des chambres centrales soit enlevée Dans la zone d'une surface de paroi enlevée, il se forme une zone de collision 40 dans laquelle les vortex de différentes chambres pénètrent l'un dansl'autre Dans le cas représenté sur la figure, le nombre de vortex est de 4 x 4 mais le système de chambres de turbulence peut comporter un nombre arbitraire de vortex 2 qui entre en contact par paire l'un avec l'autre dans une direction latérale Dans l'exemple de la figure 1,il subsiste entre les vortex des diviseurs d'écoulement 39 ayant une section droite à 4 branches et dif- férentes dimensions Egalement, la forme des diviseurs d'écou- lement 39 peut varier Par exemple, une forme ondulée améliore l'oscillation. La figure 2 représente un système à turbulence con- forme à l'invention, dans lequel les vortex individuels 2 ont la forme d'une ellipse pour intensifier les impacts radiaux. Dans le cas représenté sur la fig 2, les plus longues diago- nales desdites ellipses sont perpendiculaires entre elles. En variante, les plus longues diagonales d'une ellipse peuvent être rendues parallèles Un système à turbulence conforme à l'invention peut également être constitué au moyen de vortex de toutes autres formes, par exemple des vortex ressemblant à un triangle arrondi, des vortex ressemblant à un carré arrondi, etc. Dans la vue latérale de la fig 3, on a représenté un système à cyclone conforme à l'invention comportant 4 x 4 cyclones combinés sous la forme d'un système ou réseau de cyclones La figure ne montre aucun moyen d'alimentation des cyclones L'alimentation des cyclones avec un milieu à séparer peut être effectuée axialement ou tangentiellement Dans l'exemple représenté sur la fig 3, les fractions séparées sortent dans une direction axiale mais il est également possible d'envisager des agencements avec sorties tangentielles. La vue en coupe d'un système à cyclone représenté sur la fig 4 montre que les chambres de turbulence individuel- les 10 ont des dimensions égales Cela est préférable pour que les forces d'impact dans différents vortex deviennent égales. Dans ce cas, les diviseurs d'écoulement 39 se composent de quatre sections uniformes d'une surface cylindrique. La coupe représentée sur la fig 5 montre les entrées tangentielles 12 d'un système à cyclones, lesdites entrées étant disposées entre les vortex individuels 2. La fig 6 est une vue en plan de dessus des entrées tangentielles correspondantes 12. La fig 7 représente un diviseur d'écoulement 39 qui est pourvu, dans les directions d'écoulement desdits vortex, de rainures en forme de canaux entre lesquelles sont disposées des nervures et arêtes vives A l'aide d'un tel profil, il est possiblâide modifier la forme d'une section axiale du vortex 2 dans différents stades de rotation A l'intérieur de la zone de collision 40 des vortex individuels 2, l'interface desdits vortex est un plan, c'est-à-dire que la section axiale du vortex 2 est linéaire Lorsque les particules arrivent dans un diviseur de vortex 39 représenté sur la fig 7, lesdites particules sont obligées de se déplacer partiellement également dans une direc- tion axiale En conséquence, les particules ayant des masses difféntes sont plus aisément capables de passer respectivement dans des directions désirées de séparation La forme de section droite d'un diviseur d'écoulement peut être également par exemple un cercle ou une ellipse. Dans les types de diviseurs d'écoulement -39 repré- sentés sur les figures 8,9 et 10, la section axiale a une forme ondulée Entre les nervures de forme ondulée, il est prévu des évidements dans lesquels des vortex 2 sont poussés Le profilage régulier d'un vortex 2 dans une direction axiale et dans une direction radiale améliore la séparation. La fig 11 représente en détail une possibilité d'agencement d'une entrée tangentielle 12 dans les cas repré- sentés sur les figures 5 et 6. Les fig 12 et 13 représentent un mode d'agencement de chambres de turbulence coniques On peut choisir à volonté la largeur d'une zone de collision 40 Des diviseurs d'écou- lement 39 peuvent avoir des faces coniques planes ou bien on peut leur donner une ondulation dans la direction de pro- pagation du vortex 2 ou bien les rainurer dans une direction axiale. La fig 14 représente unmode de réalisation de l'inven- tion o les parois entre les vortex individuels 2 sont complètement enlevées Les vortex 2 sont créés et maintenus à l'aide d'entrées tangentielles 12 effectuées entre les vortex 2, comme indiqué par les flèches Les vortex individuels 2 tourbillonnent à la même vitesse et avec les mêmes dimensions et ils pénètrent latéralement l'un dans l'autre Le frottement latéral entre vortex 2 est très faible Dans le cas de la fig 14, les centres de rotation 49 sont parallèles L'entrée ou l'alimentation peut également être effectuée axialement. La fig 15 représente un système à turbulence conforme à l'invention, dans lequel un gros vortex 2 est entouré périphé- riquement par plusieurs petits vortex 2 A l'intérieur de la zone de collision 40, la vitesse tangentielle du gros vortex 2 et celle des petits vortex 2 sont égales, les vitesses angu- laires desdits petits vortex 2 étant supérieures La force centrifuge des petits vortex 2 est diminuée par une masse tournante plus petite par comparaison au gros vortex 2 mais, d'autre part, la force centrifuge des petits vortex 2 est augmentée par un rayon plus petit, par comparaison à celui du gros vortex 2 En conséquence, les vortex 2 de dimensions différentes sont en équilibre en ce qui concerne les forces centrifuges Dans l'exemple de la fig 15, la masse de particules du gros vortex 2 est soumise à 18 impacts de col- lision pendant un cycle Sur la fig 15, les zones de col- lision 40 placées dans les parties extérieures du gros vortex 2 sont orientées dans une direction tangentielle de manière à avoir la même longueur que les sections entre les points de collision 40 En conséquence, le gros vortex 2 est obligé d'exécuter un mouvement ondulatoire régulier. La fig 16 représente un système à cyclones conforme à l'invention dans lequel les cyclones sont quinconces dans unedirection axiale L'entrée d'un milieu à séparer est effectuée dans le cyclone central placé complètement en haut et à partir duquel des particules peuvent pénétrer en partie latéralement dans les cyclones placés dans les positions inférieures par l'intermédiaire des zones de collision 40. Il pénètre dans les cyclones inférieurs une fraction concen- trée dans la section supérieure d'une chambre de turbulence et se présentant sous forme de particules ayant une grande masse Les particules de grande masse se concentrent en majeure partie dans les derniers cyclones, placés axialement complètement en bas d'une chaîne de cyclones. On obtient à la sortie des cyclones placés, dans une direction axiale, à des niveau différents, des fractions de masses lourdes et légères et qui sont concentrées à différents degrés de manière à être déchargées par l'intermédiaire des sorties 13 et 14 Certaines desdites fractions peuvent être recyclées dans le cyclone central par l'intermédiaire d'un tuyau d'entrée 12 en vue d'augmenter la concentration Par une régulation des dimensions et des pressions dans les sorties 13, 14 des cyclones placés à différents niveaux, il est possible de contrôler la composition en particules des divers cyclones En correspondance, il est possible de réali- ser des systèmes ou réseaux de cyclones dans lesquels le cyclone centrale est entouré par 3,4,5 etc cyclones répartis à intervalles réguliers et qui sont eux-mêmes suivis par d'autres cyclones. La fig 17 représente un système à cyclones conforme à l'invention, qui est disposé dans une centrifugeuse périphé- riquement autour d'un centre de rotation 490 La rotation d'une centrifugeuse engendre, en combinaison avec la rotation de cyclones, un mouvement oscillant dans les vortex des cyclones, en améliorant ainsi la séparation L'oscillation est également augmentée par le fait que les vortex adjacents entrent en collision l'un avec l'autre. La fig 18 est une coupe axiale d'une centrifugeuse. L'angle formé entre les centres de rotation 49 des cyclones et celui 490 de la centrifugeuse peut varier en fonction de la conicité ou cylindricité des cyclones et de la longueur d'une zone de collision désirée 40 La fig 19 montre la disposition symétrique des centres de rotation 49 de vortex coniques 2 les uns par rapport aux autres encoupe axiale, les parois existant entre des vortex individuels étant enlevées des sections supérieures des vortex 2 Dans ce cas, la position des centres de rotation 49 dans un réseau carré est mesurée le long d'une surface sphérique 47. La fig 20 représente un cas o quatre vortex 2 com- portent deux petits diviseurs d'écoulement 60 au lieu d'un gros diviseur d'écoulement 49 En conséquence, une surface de frot- tement délimitant les vortex 2 est plus riche Entre les vortex 2 et les petits diviseurs d'écoulement 60, il est prévu des vortex antagonistes qui supportent latéralement les vortex séparateurs 2. La fig 21 représente les vortex antagonistes qui sont formés entre les vortex séparateurs dans le cas o il n'est prévu aucun diviseur d'écoulements 39; 60 Les vortex indivi- duels se développent d'une manière naturelle et ils atteignent un équilibre interne En réalité, lesdits vortex peuvent former une entité très compliquée. REVENDICATIONS 1 Procédé de séparation d'un milieu en composants ayant différentes masses de particules au moyen d'une force centrifuge dans un appareil faisant intervenir un écoulement turbulent libre, par exemple des cyclones, de manière que des particules ayant une grande masse soient concentrées pendant le mouvement de rotation dans les parties extérieures d'un vortex séparateur ( 2) et que des particules d'une masse plus faible soient concentrées dans les parties d'un vortex sépara- teur ( 2) qui sont plus rapprochées d'un centre de rotation ( 49), caratérisé en ce que deux vortex séparateurs ( 2) ou plus, disposés côte à côte, entrent en contact latéral l'un avec l'autre par paire de manière que lesdits vortex séparateurs ( 2) entrent en collision l'un avec l'autre suivant un angle de O à 90 'tout en tournant dans des directions opposées. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits vortex séparateurs ( 2) disposés côte à côte établissent un système de turbulence dans lequel les centres de rotation ( 49) forment un carré régulier, en les considérant dans une direction axiale. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits vortex séparateurs ( 2) disposés côte à côte établissent un système de turbulence dans lequel il est prévu autour de la périphérie d'un vortex séparateur ( 2) plusieurs autres vortex séparateurs ( 24. 4 Procédé selon la revendication 1 ', caractérisé en ce que lesdits vortex séparateurs ( 2) disposés côte à côte établissent un système de turbulence dans lequel les centres de rotation ( 49) de vortex séparateurs ( 2) sont disposés symé- triquement par rapport à un des centres de rotation '49). Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que des chambres de turbulence ( 10) de séparateurs de turbu- lence parallèles sont disposés par paire partiellement l'une dans l'autre en créant des zones de collision ( 40) avec les vortex parallèles en collision ( 2) tournant dans des direc- tions opposées. 6 Appareil de séparation par turbulence selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'introduction ( 12) d'un milieu à séparer est effectuée entre lesdites chambres de turbulence ( 10) dans une zone de collision ( 40). 7 Appareil de séparation par turbulence selon la revendiction 5, caractérisé en ce que lesdites chambres de turbulence ( 10) sont positionnées sous forme d'un carré régu- lier parallèlement entre elles. 8 Appareil de séparation par turbulence selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une chambre de turbu- lence ( 10) est entourée périphériquement par d'autres chambres de turbulence ( 10). 9 Appareil de séparation par turbulence selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que des parois des chambres ( 1) sont enlevées aux zones situées entre les chambres de turbulence parallèles ( 10). Appareil de séparation par turbulence selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu entre quatre chambres de turbulence parallèles ( 10) un diviseur d'écoulement ( 39) de section droite de forme carrée. 11 Appareil de séparation par turbulence selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu entre quatre chambres dé turbulence parallèles ( 10) deux petits diviseurs d'écoulement ( 60). 12 Appareil de séparation par turbulence selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce qu'il est prévu entre quatre chambres de turbulence parallèles ( 10) un diviseur d'écoulement ( 39) de section droite circulaire. 13 Appareil de séparation par turbulence selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'un diviseur d'écoulement ( 39) est rainuré dans la direction de propagation d'un vortex séparateur ( 2). 14 Appareil de séparation par turbulence selon la revendication ( 10), caractérisé en ce qu'un diviseur d'écoule- ment ( 39) est ondulé dans la direction de propagation d'un vortex séparateur ( 2). Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 3 ou 4,caractérisé en ce que les chambres de turbulence adjacentes ( 10) sont quinconcées dans une direction axiale. 16 Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chambres de turbulence d'un séparateur opérant par turbulence sont dispo- sées périphériquement autour du centre de rotation d'une centrifugeuse.