Brevet FR2515987A1 — publié le 19830513

L'invention a trait à un appareil à injection pourvu d'un point d'é- tranglement situé au début d'un tronçon mélangeur prévu dans un tube mélan- geur, notamment pour la regazéification de suspensions afin d'assurer la flottation des particules solides qu'elles contiennent. Un tel appareil à injection est connu notamment par le brevet ouestallemand DE-OS 26 34 496 Dans ce dispositif, la suspension mélangée d'air alimente la cuve de flottation à travers une tuyère d'injection suivie en aval d'un tube mélangeur, de telle sorte qu'il en résulte une distribution de fine bulles d'air dans la suspension, pour obtenir un effet satisfaisant de flottation. Dans ce brevet allemand DE-OS 26 34 496 on propose d'une manière gé- nérale des injecteurs pour la régazéification de liquides, dans lesquels un jet d'entra nement de la suspension à travers une buse parvient dans un tube mélangeur Dans cette disposition, il est prévu à l'intérieur du tube mélangeur un élément déflecteur, réalisé notamment sous forme d'un corps rotatif Dans une variante de réalisation du dispositif proposé dans ce document, le jet propulseur est divisé en plusieurs tronçons mélangeurs dont la section diminue vers l'extrémité de sortie. Dans une autre disposition connue par le brevet AT-PS 342 528, on propose un injecteur muni d'une tuyère de Laval et d'un tube central d'a- limentation en air qui débouche dans la section la plus étroite de la tuyère. Le problème que la présente invention vise à résoudre est de réaliser un injecteur dans lequel on obtient un plus grand débit d'air tout en réa- lisant des économies sur la consommation d'énergie, c'est-à-dire un injec- teur possédant un meilleur rendement tout en permettant la réalisation d'installations de flottation dont le fonctionnement est amélioré d'autant. Ce problème est résolu grâce à un appareil à injection du genre sus- indiqué, dont la conception de base est telle que le courant de liquide est dirigé verticalement de haut en bas vers le liquide à gazéifier, et que la zone d'aspiration du gaz se trouve au-dessus du niveau du liquide dans la cuve de flottation Cette disposition procure les avantages sui- vants; la longueur nécessaire de construction de l'injecteur n'exige au- cun espace supplémentaire, contrairement à ce qui était le cas lorsque l'in- jecteur était monté latéralement, par exemple au-dessous de la cuve La position verticale avec circulation de haut en bas convient tout particu- lièrement à un injecteur de grandes dimensions, attendu qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un accroissement élevé de la pression par échange d'impulsions dans le tube mélangeur Grâce à cette disposition, on suppri- 15987 -2- me la nécessité de surmonter la pression hydrostatique due à la hauteur du liquide contenu dans la cuve, du fait que l'on dispose de la même hau- teur de colonne de liquide dans le tube mélangeur L'obtention d'un accrois- sement correspondant de la pression par échange d'impulsions dans le tube mélangeur nécessitait une vitesse d'écoulement excessive, donc non rentable, dans la tuyère Du reste, il faut réserver seulement une fraction minimale de l'énergie d'écoulement pour obtenir à la sortie du tube mélangeur une vitesse d'écoulement suffisante pour réaliser une répartition satisfaisante des bulles gazeuses dans la cuve La vitesse d'écoulement nécessaire dans ce cas est calculée en fonction de la géométrie et du diamètre des cuves à gazéifier. De même, la disposition verticale de l'injecteur dans la cuve est facilitée par l'utilisation d'un diffuseur du type radial qui possède dans ce cas ses meilleurs propriétés par rapport au diffuseur à cône droit jus- qu'ici courant Dans un diffuseur radial on peut, par l'adoption d'une géométrie appropriée, réaliser une construction plus courte et obtenir un rendement supérieur en réduisant sensiblement la vitesse d'écoulement, ce qui permet d'accroître considérablement la pression En outre, on obtient simultanément l'écoulement radial désiré et la répartition des bulles dans la cuve. La quantité d'air aspiré dépend fondamentalement de la vitesse d'é- coulement dans le point le plus étroit ou étranglé, par conséquent dans la tuyère ou le diaphragme, également du débit de la suspension en fonc- tion de la vitesse d'écoulement à la sortie du tube mélangeur, ainsi que de la pression qui règne à cet endroit et de la géométrie, à savoir du diamètre du point le plus étroit ainsi que celui du tube mélangeur, et enfin de la longueur de ce tube. L'invention sera maintenant décrite plus en détail en se référant au dessin annexé qui en montre plusieurs modes possibles de réalisation don- nés à seul titre d'exemples non-limitatifs Sur le dessin: La FIGURE 1 montre le schéma de principe d'une installation de flot- tation utilisant un injecteur conforme à l'invention; La FIGURE 2 montre à une échelle agrandie l'appareil à injection suivant l'invention; Les FIGURES 3 et 4 montrent d'autres modes possibles de réalisation de la zone d'étranglement du tube mélangeur; La FIGURE 5 est une coupe transversale montrant une application pré- férée de l'appareil à injection, dans le cas d'une cuve de flottation à section sensiblement cylindrique, qui procure une construction compacte et 15987 -3 - en ligne; La FIGURE 6 est une vue en plan de la m 9 me application, et La FIGURE 7 montre une application préférée et analogue de l'inven- tion. Sur la Figure 1 la cuve de flottation 1 est essentiellement consti- tuée par un cylindre creux disposé verticalement et au centre duquel s'é- tend de haut en bas un tube mélangeur vertical 3 destiné à alimenter la cuve en suspension L'évacuation de la suspension purifiée s'effectue à travers une section annulaire 28, une conduite circulaire 15 ' et des tubu- lures d'extraction 26 prévues dans le fond de la cuve de flottation La mousse résultant de cette flottation est prélevée à l'aide d'une gouttière circulaire 14 Dans cette disposition, le tube mélangeur 3 présente à son extrémité de sortie une partie élargie constituée par un diffuseur radial qui est délimité par une bride annulaire 22 qui s'étend parallèlement au fond 15 de la cuve de flottation Le raccord entre le tube mélangeur à diamètre constant et l'extrémité de sortie présente un rayon approprié, par exemple conformément aux valeurs recommandées dans le livre de Bruno Eck intitulé "Str 6 mungslehre", 7 e edit, 1966, paragraphe 44, pages 186, 187 (d'après Ruchti) De même, la distance entre la bride annulaire 22 et/ou le fond 15 de la cuve, d'une part, et le disque déflecteur 42 d'au- tre part, peut être relevée dans l'ouvrage précité Cela représente entre lo et 40 % du diamètre du tube mélangeur, et l'on adoptera de préférence une distance correspondant à 15 à 20 % de ce diamètre En pratique, il convient de veiller à ce que (comme le montre avantageusement la Figure 2) même le fond 15 de la cuve serve de surface de déflection et/ou de paroi de limitation du diffuseur radial, au lieu d'utiliser une plaque distincte 42, essentiellement plane, qui exige une distance plus impor- tante entre la bride annulaire 22 et le fond de la cuve. Une cloison latérale 6 sépare la section annulaire d'extraction 28 de la chambre de flotation 20 proprement dite, afin de guider l'écoulement et de faciliter l'effet de flottation, c'est-à-dire la montée des petites bulles d'air chargées de particules d'impuretés Toutefois, on obtient le même comportement de l'écoulement si l'on omet cette cloison 6, à con- dition de prévoir une section annulaire d'extraction 28 suffisamment é- troite On pourrait même prévoir cette section annulaire 28 à un niveau plus élevé, par exemple juste au-dessous de la gouttière annulaire 14 pour l'évacuation de la mousse. La Figure 2 montre la zone d'aspiration de l'appareil à injection pour le point d'étranglement maximal 36 de la veine d'air, constitué par 15987 -4 - un diaphragme 38 Le tube d'alimentation en air 34, tout en étant guidé au centre, débouche légèrement en aval de ce diaphragme, c'est-àdire o se trouve le point le plus étroit A cet effet, on choisira avantageuse- ment une distance plus petite que, et tout au plus égale à la moitié du diamètre de l'étranglement maximal 36 Des distances comprises entre 0,1 et 0,3 fois le diamètre du point le plus étroit sont satisfaisantes En outre, il se produit une aspiration d'air à travers des trous de suction d'air 40 formés radialement dans la paroi du tube mélangeur 3 Ces trous sont également situés à un niveau en aval du point le plus étroit 36, dans le sens du courant, c'est-à-dire à une distance inférieure au diamètre de ce point le plus étroit Au lieu de trous distincts d'aspiration 40 pour l'air, on pourrait également prévoir un passage annulaire 41 qui ne serait interrompu, par exemple, que par de minces barrettes 44, comme le montre la partie droite de la Figure 2. Sur les Figures 8 a et 8 b on a montré une variante de réalisation de l'appareil à injection, suivant laquelle plusieurs tuyaux centraux 34 d'arrivée d'air sont introduits dans la zone la plus étroite (tuyère 35) du tube mélangeur Cette disposition peut être avantageuse du point de vue de l'aération Sur les Figures 9 a et 9 b, pour les mêmes raisons, la zone d'étranglement 36 du tube mélangeur est répartie entre plusieurs tuyaux parallèles, de plus petit diamètre, comportant chacun un tuyau central d'aération. D'autres modes possibles de réalisation de la zone d'étranglement 36 sont représentés sur les Figures 3 et 4 Dans l'exemple de la Figure 3 le diaphragme est constitué par un entonnoir qui se rétrécit dans le sens de l'écoulement et forme à son extrémité de plus petit diamètre le point le plus étroit Dans le mode de réalisation de la Figure 4 le point le plus étroit est constitué par une tuyère représentée sous forme d'un coude en quart de cercle On peut également envisager l'utilisation d'une tuyère d'écoulement. La configuration de l'étranglement de la section exerce bien enten- du une influence sur l'aspiration d'air, mais pas sur la dispersion de l'air et sur l'effet de flottation Le diamàtre de la section la plus étroite 36 doit par conséquent être choisi selon cette configuration, à savoir, dans chaque cas d'espèce; ainsi, ce diamètre sera plus petit lors- qu'on utilise une tuyère, et moins dans le cas d'un diaphragme Le rapport entre le diamètre DM du tube mélangeur et le diamètre de la section la plus étroite de se situe par conséquent avantageusement entre 1,3 et 1,8, la valeur optimale étant 1,6 Le tube d'aspiration d'air 34 a un diamètre 15987 relativement inférieur, qui doit correspondre au plus à seulement un tiers du diamètre de la section la plus petite Le diamètre ou la section trans- versale totale des trous 40 ou des fentes 41 pour aspirer l'air doit être choisi dans chaque cas en fonction de la quantité d'air nécessaire, de telle sorte que les pertes de suction soient maintenues à de faibles valeurs grâce à un dimensionnement précis La section transversale totale doit, dans le meilleur des cas, représenter au maximum trois fois la sec- tion transversale du tube d'aspiration d'air La position de ces trous ou fentes sera située, au mieux, à une distance ne dépassant pas un tiers 1 o du diamètre DM, du tube mélangeur, ou du diamètre d de la section la plus étroite La distance entre le niveau du liquide dans la cuve de flot- tation et la section la plus étroite sera aussi réduite que possible, afin de maintenir la consommation d'énergie à un faible niveau A cet effet, la meilleure disposition semble 8 tre celle dans laquelle la surface du li- quide se trouve légèrement au-dessous de la section la plus étroite 36. Toutefois, dans une conception analogue il est également possible d'en- visager une disposition oả la surface du liquide se trouve légèrement au- dessus Avec cette disposition, on maintient la consommation d'énergie à une très faible valeur Naturellement, la force d'écoulement doit être suffisamment élevée pour surmonter la remontée des bulles gazeuses à l'in- térieur de la colonne liquide dans le tube mélangeur tout en disposant encore de l'excédent d'énergie nécessaire pour assurer la sortie du li- quide. Il s'est avéré qu'avec la disposition suivant l'invention il est possible d'obtenir des valeurs optimales correspondant aux quantités théoriques d'aspiration de l'air Par ce moyen, on parvient à réduire à une valeur relativement faible le temps de contact de la matière en sus- pension dans la cuve de flottation, afin d'obtenir un effet optimal de flottation, c'est-à-dire une qualité optimale du blanc de la matière trai- tée s'il s'agit par exemple de pâte à papier Pour cela, les vitesses d'écoulement dans la tuyère, c'est-à-dire celles d'écoulement de la sus- pension à travers la section la plus étroite, varient entre 5 et 10 m/s. On peut ainsi atteindre sans difficulté des débits allant jusqu'à 10 000 litres/minute. Dans ce cas, les volumes d'air aspiré ( 1/s) représentent jusqu'à un tiers du courant formé par le mélange en suspension (m = mètre, 1 = litre, S = seconde). Dans des installations de dimensions réduites autorisant des débits sensiblement inférieurs à ceux indiqués ci-dessus, on pourrait également 15987 -6- supprimer les ouvertures 40 ou 41 d'aspiration de l'air Cependant, dans les installations importantes généralement utilisées le débit d'air sensi- blement inférieur qui en résulterait se ferait sentir d'une manière dé- favorable. La suspension est introduite par le tube d'arrivée 4 dans chaque chambre de flottation, l'injecteur 20 étant interposé entre ce tube d'ar- rivée 4 et le tube mélangeur 3, comme le montrent les Figures 5 et 6 Une tôle de déflection 10 permet d'améliorer l'effet de flottation, à savoir la séparation des particules flottantes d'impuretés du reste de la suspen- sion L'écumage est également accéléré grâce à cette disposition, ce qui permet d'éviter l'emploi d'un dispositif d'écumage à palettes Cet écu- mage s'effectue par-dessus un déversoir 25 réglable à l'aide d'une trin- gle de traction 16 qui actionne un mécanisme de commande non représenté. Ensuite, l'écume franchit l'ouverture 12 d'extraction de l'écume pour parvenir dans un collecteur d'écume 13 dans lequel on peut encore prévoir des atomiseurs 18 L'extraction de la suspension s'effectue entre le dé- flecteur 10 et la cloison de séparation 24 à travers une ouverture d'ex- traction 11, d'o la suspension est dirigée vers l'injecteur et le tube mélangeur de la chambre de flottation suivante (voir la Figure 6 > A cet effet, il est prévu une pompe (non représentée) Dans ce cas, les cuves individuelles de flottation sont rassemblées de manière à former une rangée compact à l'intérieur d'une seule grande enveloppe. La Figure 7 montre une variante préférée de réalisation dans laquelle on opère sans la cloison intermédiaire de la Figure 5, tandis que la lu- mière 11 ' prévue pour extraire la suspension purifiée consiste en une fen- te située directement au-dessous du déversoir 25 ' pour évacuer l'écume dans la conduite d'extraction 42 située directement au-dessous de la gout- tière 13 prévue pour l'évacuation de l'écume Grâce à cette disposition, le processus de flottation n'est pas entravé par une cloison intermédiaire. La cuve représentée sur les Figures 5 à 7 possède une section trans- versale pratiquement circulaire d'une extrémité à l'autre. Dans ces mêmes modes de réalisation des Figures 5 à 7 on utilise essentiellement une cuve 1 entièrement de forme cylindrique à section cir- culaire Toutefois, il est aussi tout-à-fait possible de réaliser une cuve 1 avec une section de forme ovale couchée sur sa partie de plus grand rayon De même, par ailleurs, on pourrait prévoir notamment dans la zone de la cuve qui surmonte la suspension, une couverture plane Il en résulte essentiellement que la forme arrondie se trouve dans sa zone inférieure afin de donner à celle-ci une allure propre à faciliter l'écoulement. 15987 -7- R E V E N D I C A T I O N S 1 Appareil à injection comportant un point d'étranglement au com- mencement d'un tronçon mélanqeur agencé dans un tube mélangeur, notamment pour la regazéification de suspensions afin d'assurer la flottation des particules solides contenues dans ces suspensions, caractérisé en ce que l'orifice de sortie ( 31) d'au moins un tube central d'arrivée d'air ( 34) disposé sensiblement au centre par rapport au point d'étranglement ( 36) est situé en aval et à une courte distance de ce point, et que la sortie ( 19) du tube mélangeur ( 3) est réalisée de manière à fonctionner en tant que diffuseur radial. 2 Appareil à injection selon la Revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une ouverture ( 40, 41) d'aspiration d'air agencée dans le sens du courant à une faible distance en aval du point d'étrangle- ment ( 36) sur le diamètre extérieur du tube mélangeur ( 3). 3 Appareil à injection selon l'une ou l'autre des Revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie ( 31) du tube d'arrivée d'air ( 34) est située à une distance maximale correspondant à 0,5 fois le plus petit diamètre du point d'étranglement ( 36). 4 Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ouvertures d'aspiration d'air ( 40, 41) sont disposées en aval du point d'étranglement maximal ( 36) à une distan- ce maximale de ce point égale soit au diamètre de celui-ci, soit à un tiers du diamètre interne du tube mélangeur ( 3). Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la distance entre la sortie ( 31) du tube cen- tral d'arrivée d'air ( 34) et le point le plus étroit ( 36) se situe entre 0,1 et 0,3 fois le diamètre de ce point ( 36). 6 Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube mélangeur ( 3) s'étend verticalement, au moins à partir du point le plus étroit ( 36), à l'intérieur de la cuve de flottation ( 1). 7 Appareil à injection selon la Revendication 6, caractérisé en ce que le point le plus étroit ( 36) se trouve à hauteur du niveau de la sus- pension dans la cuve de flottation ( 1). S Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le point d'étranglement ( 36) du tube mélan- geur ( 3) est constitué par une tuyère ( 37). 9 Appareil à injection selon la Revendication 8, caractérisé en ce que la tuyère ( 37) est du type standard ou en forme de coude ou quart de cercle. Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le point d'étranglement ( 36) est constitué par un diaphragme ( 38, 39). 11 Appareil à injection selon la Revendication 10, caractérisé en ce que le diaphragme ( 39) est en forme d'entonnoir dont la section diminue dans le sens de l'écoulement. 12 Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la longueur du tube mélangeur ( 3) en aval du point le plus étroit ( 36) représente plus de quatre fois le diamètre du tube mélangeur en aval de la tuyère ( 37) ou du diaphragme ( 38, 39). 13 Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre DM du tube mélangeur et le diamètre d du point le plus étroit ( 36) représente en- viron 1,2 à 1,8. 14 Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la sortie ( 19) du tube mélangeur ( 3) est en- tourée d'une bride annulaire ( 22) orientée parallèlement au fond ( 15) de la cuve de flottation ( 1) et se situe, par rapport à une plaque plane ( 42) formant déflecteur qui s'étend perpendiculairement au tube mélangeur ( 3), à une distance qui représente de 10 à 30 % du diamètre du tube mélangeur, et que ce tube ( 3) s'étend sensiblement à-angle droit par rapport au fond ( 15) de la cuve de flottation ( 1). Appareil à injection selon la Revendication 14, caractérisé en ce que la distance entre la bride annulaire ( 22) et la plaque déflectrice ( 42, 15) représente de 10 à 20 % du diamètre du tube mélangeur ( 3). 16 Appareil à injection selon l'une ou l'autre des Revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que le fond ( 15) de la cuve sert d'élément déflecteur. 17 Utilisation de l'appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 16, dans une cuve de flottation ( 1) ayant sensiblement la forme d'un cylindre disposé horizontalement et dont la section d'éva- cuation ( 28) pour la suspension présente une section annulaire disposée radialement à l'extérieur de la cuve de flottation ( 1), de telle sorte qu'il n'est prévu qu'un seul appareil à injection pour introduire la suspension dans la cuve ( 1). 18 Appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le point d'étranglement ( 36) s'élargit brus- quement en direction du tube mélangeur ( 3). 99- 19 Utilisation de l'appareil à injection selon l'une quelconque des Revendications 1 à 16 dans une cuve de flottation ( 1) qui se présente sensiblement sous forme d'un cylindre couché ayant au moins une section verticale circulaire, dans laquelle le tube mélangeur ( 3) est agencé de façon à plonger avec une orientation sensiblement verticale, un seul ap- pareil à injection étant prévu pour assurer l'introduction de la suspen- sion dans la cuve de flottation ( 1). Utilisation de l'appareil à injection selon la Revendication 18, caractérisé en ce que tant l'écumage que l'extraction de la matière puri- fiée s'effectuent au moins sur un côté long, c'est-à-dire un côté paral- lèle à l'axe de la cuve cylindrique de flottation ( 1). 21 Utilisation de l'appareil à injection selon la Revendication 19, caractérisée en ce que l'écumage s'effectue par-dessus un déversoir ( 25, ') et que l'ouverture d'extraction pour la matière purifiée est consti- tuée par une fente ( 11 ') qui s'étend essentiellement sur toute la longueur de la cuve de flottation ( 1) juste au-dessous du niveau o s'effectue l'écumage. 22 Utilisation de l'appareil à injection selon la Revendication 18, caractérisée en ce que la cuve de flottation ( 1) comporte une cloison in- termédiaire ( 10) qui s'étend sensiblement parallèlement à l'axe du cylin- dre et dont au moins la partie supérieure est incurvée vers l'axe du cy- lindre et sert à séparer l'extraction de la matière traitée de la chambre de flottation proprement dite. 23 Appareil à injection suivant l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'étrangle- ment du tube s'élargit brusquement vers l'aval.