Brevet FR2532198A1 — publié le 19840302

253-2198 L'invention concerne une centrifugeuse à récupération d'énergie, plus particulièrement destinée à la séparation de liquides non miscibles de densité différente et dans les- quels sont dispersées des particules solides, la centrifu- geuse comportant deux tambours coaxiaux rotatifs, un dispo- sitif d'évacuation des matières solides et un dispositif de récupération de l'énergie. Les centrifugeuses industrielles destinées à la séparation d'émulsions de liquidesou de suspensions de matières solides dans des liquides sont des machines des- tinées à traiter en continu des débits importants Outre leur prix élevé, la consommation importante d'énergie néces- saire à leur fonctionnement a beaucoup gfné leur développe- ment et leur utilisation a été limitée aux industries chimiques et pétrolières dans lesquelles elles servent à la séparation de produits ayant une certaine valeur commerciale. Lorsqu'il s'agit de produits de valeur négligeable tels que ceux contenus dans les effluents industriels, on se contente en général d'une séparation par décantation effectuée pendant des temps-plus ou moins longs dans des cuves ou bassins, Les problèmes de pollution devenant de plus en plus aigus, la teneur en polluants dés rejets, par exemple boues, émulsions ou suspensions d'huile ou de graisse, est progressivement abaissée et le respect de ces normes nécessitera l'utilisation de centrifugeuses à gros débit et dont les coûts de fonctionnement ne soient pas prohibitifs. C'est ainsi que le brevet français 2 361 942 décrit une centrifugeuse à tambours coaxiaux et axe hori- zontal utilisée dans l'industrie du papier pour séparer les solides des liquides De liquide chargé arrive dans l'espace séparant deux tambours cylindro-coniques tournant à grande vitesse, une vitesse différentielle fixe étant réalisée entre le tambour extérieur et le tambour intérieur Le tam- bour intérieur est muni d'une ailette constituant une vis d'Archimède qui enlève en permanence les dépôts de matières solides et les évacue vers l'extrémité conique des tambours. Le liquide est évacué à l'extrémité cylindrique. La séparation n'est pas très poussée et les par- ticules les plus fines restent en suspension. Afin d'accroître l'efficacité d'une centrifugeuse, le brevet français 2 526 981 propose d'équiper un bol de centrifugation à axe vertical d'un jeu d'assiettes coniques calé sur l'axe central Les assiettes sont séparées entre elles par un espace faible dans lequel le liquide chargé pénètre et o il se sépare de ses particules solides Le liquide est évacué vers l'intérieur du bol tandis que les particules se rassemblent dans une chambre biconique, formée par la paroi du bol, avant d'Otre expulsées radialement vers l'extérieur par manoeuvre d'un dispositif d'évacuation. La centrifugeuse industrielle à fort débit et rendement énergétique amélioré, qui fait l'objet de l'in- vention, est adaptée en particulier pour épurer un liquide incluant en suspension des particules solides plus denses et/ou en émulsion des goutelettes d'un fluide moins dense. Elle comprend un rotor essentiellement constitué par un empilage d'assiettes de centrifugation tournant à grande vitesse entre deux tambours cylindriques co-axiaux, des moyens pour introduire et évacuer le liquide en continu, ledit liquide remplissant totalement l'espace interne du rotor, et des moyens pour l'extraction sélective des impuretés séparées. Une première caractéristique de la machine est que dans l'intervalle entre le tambour cylindrique extérieur et le tambour intérieur, entralnés en rotation co-axiale de façon indépendante et respectivement munis de moyens d'éva- cuation des phases séparées, est disposé l'empilage d'assiettes qui tourne avec le tambour intérieur et qui est alimenté en liquide à épurer par une admission axiale et un rouet centrifuge. Une autre caractéristique de l'invention est un dispositif de récupération de l'énergie du liquide évacué. Ce dispositif comporte à la sortie du liquide épuré un rouet de sortie qui comprend des aubes solidaires du tambour intérieur et formant une turbine centripète, cette turbine étant suivie d' éjecteurs tangentiels solidaires du tambour extérieur et constituant un tourniquet à réaction, agencé de manière que la vitesse absolue de sortie du liquide épuré soit sensiblement nulle. De la sorte, la turbine et le tourniquet restituent sous forme de couplemoteur la majeure partie du moment cinétique communiqué au liquide, ce qui permet de réduire à la compensation des pertes de frottement, la puissance requise en régime continu pour le fonctionnement de la machine. Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente en coupe longitudinale une centrifugeuse selon l'invention. La figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1. La figure 3 est une vue partielle en coupe radiale selon III-III de la figure 2. La figure 4 est une vue partielle en coupe radiale selon IV-IV de la figure 2. La figure 5 est un schéma de la composition des vitesses du fluide sortant d'un éjecteur du dispositif de récupération de l'énergie. La centrifugeuse à axe horizontal, montrée sur les figure 1 à 4, comprend schématiquement un tambour intérieur A, un tambour extérieur B, un dispositif d'évacuation des matières solides C et un dispositif de récupération d'énergie D. Le liquide à épurer pénètre côté amont par le raccord 1, équipé d'un assemblage tournant d'étanchéité 2, et prolongé par un manchon intérieur fixe 3, dans l'arbre creux 6 dont l'extrémité opposée se raccorde au tambour intérieur A. L'arbre 4 est soutenu par un double palier à billes entre les brides duquel est prévue une poulie 6 clavetée sur l'arbre et entraînée par une courroie (non représentée). L'arbre creux 4 est raccordé par un accouplement élastique étanche 7 à l'extrémité tubulaire 8 du tambour intérieur A. L'extrémité correspondante 9 du tambour extérieur B est sup- 4- portée par un palier à billes extérieur 10 et comporte une poulie 11 qui permet son entra nement à une vitesse diffé- rente de celle du tambour intérieur Un roulement à billes étanche 12 est disposé entre les tambours extérieur et intérieur L'autre extrémité du tambour extérieur B est supportée par un palier à billes 13 L'extrémité correspondante du tambour intérieur A est maintenue par un roulement à billes étanche 14 disposé entre les tambours. Le bol de centrifugation, formant la plus grande part du tambour extérieur B est constitué d'un corps creux cylindrique prolongé c 3 té amont par un flasque cylindro- conique solidaire de son extrémité 9 supportée par le palier 109 et côté aval par une collerette évasée 15 portant une bride circulaire 16 Sur cette bride vient se fixer une tête 17 dont l'extrémité cylindrique 18 est supportée par le palier 13 la tête 17 porte intérieurement un fond conique mobile 19, qui coulisse de manière étanche d'une part, sur deux portées étagées 20, 21 prévues dans la partie de la tète voisine de la bride 16 et d'autre part, dans une fourrure tubulaire 22 rapportée dans la tète 17 (voir la vue à plus grande échelle de la fig 2) - Le fond mobile 19 délimite d'une part avec la collerette évasée 15 une chambre à boue 23 et d'autre part avec la partie de la tête 17 intérieure à sa portée interne 21, une chambre de pression 24 alimentée par l'intermédiaire du canal 25 à partir d'un déversoir 26 qui sera décrit ultérieurement. Comme montré sur la fig 3, la bride 16 du bol, plaquée sur la périphérie de la tête 17,n'est pas continue mais présente des bossages 27 régulièrement répartis tout autour de la bride, séparés par des passages 28 et traversés par des boulons de fixation 29. Lorsque le fond mobile 19 est dans la position re- présentée sur les fig 1 et 2 sa périphérie axialement plaquée contre une portée radiale interne de la bride 16 obture toute communication entre l'intérieur du bol et l'extérieur. Lorsque le fond 19 est déplacé vers la droite du dessin, sa périphérie découvre les passages 28, qui permettent par simple effet centrifuge la vidange de la chambre à boue 23. Le tambour intérieur A est raccordé par son extrémité tubulaire 8 en bout de l'arbre creux 4 par lequel se fait l'introduction de l'effluent ou du mélange à traiter, qui parvient dans l'espace annulaire compris entre la sur- face extérieure 30 du tambour intérieur A et la paroi inté- rieure du tambour extérieur B par des canaux inclinés 31 formant rouet d'entrée Comme représenté sur la fig 3, la surface extérieure 30 porte des nervures longitudinales 32 formant clavettes par lesquelles est entraîné en rotation un empilage d'assiettes coniques 33 (représenté partiellement). Ces assiettes de forme tronconique sont espacées les unes des autres par des entretoises radiales embouties ou rapportées 33 aq leur espacement étant fonction de la taille des particules à séparer et du débit prévu Les petites bases des assiettes sont dirigées vers l'aval dans le sens axial de circulation du liquide à traiter L'empilage d'assiettes est maintenu c 8 té -amont par une platine 34 et côté aval par un Presse assiettes 35. A la périphérie des assiettes est fixée par l'in- termédiaire de la platine 34, une vis de raclage 36 Cette vis est constituée par exemple par un profilé rectangulaire enroulé en hélice sur une cage 57 formée par l'assemblage d'anneaux périphériques 37 a et de barrettes longitudinales 37 b Le diamètre extérieur de la vis 36 est légèrement inférieur au diamètre intérieur du bol B de manière qu'elle puisse racler les particules solides accumulées sur la paroi et les refouler axialement vers la chambre à boue 235 la progression résultant de la différence des vitesses de rotation entre le tambour intérieur A et le tambour extérieur B, A l'extrémité aval du Jeu d'assiettes 33 est prévu. un rouet centripète radial 38 se présentant sous forme d'une enveloppe tronconique solidaire du presse assiettes 35 à la surface de laquelle sont fixées des aubes 39 faisant saillie dans l'espace compris entre le presse assiettes 35 et le fond mobile 19 du tambour extérieur B. Le rouet 38 forme le premier étage du dispositif de récupération d'énergie D, dont le second étage est constitué par une série d'éjecteurs 40 formant tourniquet fixés sur la surface cylindrique 41 du tambour extérieur B prolongeant sa tête 17 Les éjecteurs 40 formés de blocs rapportés 42 reçoivent le fluide épuré par des canaux radiaux 43 (fig 4) faisant communiquer avec l'intérieur du-bol leurs buses d'éjection 44,dont l'axe est dirigé sensiblement tangentiellement par rapport d la surface cylindrique 41 de la tête 17 du tambour extérieur B. Les jets tangentiels issus des éjecteurs 40 atteignent une couronne d'aubes fixes 45, disposée entre deux flasques ra- diaux 46 rapportés dans la volute cylindrique 47 de sortie du liquide épuré Cette volute est fixée au palier B de support de la centrifugeuse Les aubes 45 sont avanta- geusement réglables en orientation pour conserver le moment cinétique résiduel et disposées selon une spirale pour faciliter l'évacuation de fluide. La récupération d'énergie cinétique s'explique comme suit: L'alimentation de la centrifugeuse se faisant dans l'axe, la mise en rotation du liquide crée en tout point une surpression &P = Pw 2 R 2 o P est la masse volu- mique du fluide, W la vitesse 2 angulaire de rotation et R le rayon de giration au point considéré. La pression est convertie en vitesse dans la buse 44 d'un éjecteur selon l'équation o W est la vitesse relative du fluide par rapport à la buse. Si l'orientation et la section des buses sont convenablement choisies, la vitesse W ainsi créée est'égale en module à la vitesse périphérique de rotation La vitesse absolue du fluide Va par rapport à un référentiel extérieur à la machine, est la somme géométrique de la vitesse relative W et de la vitesse d'entralnement V =WR au point considéré: _, _,b _, V _, Va = W+V Donc si W et V sont colinéaires, de sens opposés m, et de même module, Va est nulle et l'énergie cinétique résiduelle est entièrement récupérée Pour des raisons pratiques l'angle de sortie de l'éjecteur est choisi de sorte que la vitesse absolue soit faible, mais non nulle, pour faciliter l'évacuation (fig 5). La partie centrale du tambour intérieur A présente une cavité cylindrique axiale 48 mise en communication avec l'extérieur du tambour par des orifices 49 Ces orifices permettent le passage du fluide le plus léger qui s'écoule le long de la paroi 30 extérieure et vient se rassembler sur la périphérie de la cavité 48 qui-constitue un réservoir d'o un tube d'extraction 50 écope en permanence le fluide, maintenu par centrifugation contre la paroi, pour l'évacuer vers l'extérieur de la centrifugeuse. Le dispositif d'évacuation des matières solides se compose comme précédemment décrit de)avis de raclage 36 et du dispositif hydraulique d'évacuation C dont une partie est constituée par le fond mobile 19 le déversoir 26 est formé d'une bague cylindrique 51 Mixée sur la tête 17 et portant en saillie intérieure deux anneaux 52, 53 axialement espacés et de hauteurs inégales, l'anneau 52 ayant un dia- mètre intérieur inférieur à celui de l'anneau 53 L'anneau 52 délimite avec la face externe 54 de la tête 17 une pre- mière rigole-55 et avec l'anneau 53 une deuxième rigole 56. Une crosse d'alimentation en eau 57 passe dans les ouver- tures centrales des anneaux et débouche dans la première rigole 55, dont le fond communique par un canal 58 avec une chambre annulaire 59 située à la périphérie du fond mobile 19 entre les portées étagées 20, 21 de la tête 17 du tambour extérieur B Cette chambre, munie d'unori ice de fuite calibré 60 débouchant dans un passage 28, reçoit en continu par la crosse fixe 57, la rigole 56 et le canal 58 un débit d'eau supérieur à celui s'écoulant par la fuite 60 L'eau excédentaire déborde de la première rigole en remplissant la.seconde rigole 56 Un canal radial percé dans le fond de la chambre 56 communique par l'intermédiaire du canal 25 avec la chambre de pression 24 délimitée par le fond mobile 19 et la face interne 61 de la tête 17 Du fait de la rotation l'eau centrifugée exerce une pression suffisante contre le fond mobile 19 pour maintenir sa périphérie en butée axiale sur la portée-radiale 62 de la bride 16, position dans laquelle il obture les passages 28 faisant communiquer la chambre à boue 23 avec l'extérieur. Lorsque l'on veut évacuer les boues accumulées dans la chambre à boue 23, on interrompt l'arrivée d'eau par la crosse 57 Les orifices de fuite 60 assurent la vidange de la chambre d'eau 59 et des orifices 63 judicieusement placés permettent la vidange de la chambre de pression 24. La pression interne au bol B agissant sur l'autre face du fond mobile 19, il se déplace vers la droite sur le dessin en découvrant les passages 28 Le fond 19 se referme lorsque le déversoir 26 est de nouveau alimenté. Le fonctionnement de la centrifugeuse selon l'in- vention est ci-après décrit. Le fluide à traiter entre en continu dans la cen- trifugeuse qu'il remplit totalement,par l'arbre creux axial 8 dans lequel il commence à acquérir une vitesse de rotation relativement faible Une première mise en vitesse est effec- tuée lors du passage du fluide dans les canaux inclinés 31 du rouet d'entrée,reliant l'arbre creux à l'espace annulaire compris entre les tambours dans lequel tourne à grande vitesse i'empilage d'assiettes 33, solidaire du tambour intérieur A Le fluide à épurer traverse ensuite le jeu d'assiettes (flèches en trait fort) o s'effectue la sépa- ration centrifuge et qui constitue un deuxième étage de. mise en vitesse: de manière connue, le fluide à épurer est accéléré par viscosité dans les espaces séparant les assiettes 33 de sorte que les particules solides sont cen- trifugées contre la paroi du tambour externe B tandis que le fluide le plus lourd ainsi épuré, (flèches en trait interrompu) s'écoule axialement dans l'espace situé à la périphérie de l'empilement d'assiettes et est ramené vers l'axe en traversant le rouet centripète 38, qui récupère une partie de son énergie de rotation Le fluide le plus léger, sous l'effet du champ centrifuge, migre (flèches en trait fin) vers la périphérie intérieure de chaque assiette et coalesce sous forme d'un film qui s'écoule vers l'axe de la centrifugeuse Arrivé au bord intérieur de l'assiette, le film se divise en grosses gouttelettes qui sont captées très rapidement à la surface 30 du tambour intérieur A et s'écoulent par les'orifices 49 dans le réservoir 48 oà il est récupéré par le tube d'écopage 50. Le fluide le plus lourd,ainsi débarrassé des par- ticules solides et-du fluide plus léger,parvient, après passage dans le rouet 38, dans l'extrémité tubulaire du fond mobile 19 et dans les canaux radiaux 43, aux éjecteurs 42 rapportés sur la tête 17 du tambour B qui assurent une très faible vitesse absolue de sortie du fluide et récupèrent ainsi son énergie cinétique résiduelle. Les aubages fixes 45 et la volute 47 exploitent le reliquat d'énergie cinétique du fluide pour créer la légère pression nécessaire à son évacuation. Selon un exemple de réalisation une centrifugeuse, selon l'invention, destinée au traitement des eaux de pro-, duction pétrolière et en particulier à la séparation de l'émulsion huile/eau et particules solides présente les caractéristiques suivantes: Le débit est de 100 m 3/h pour une concentration d'huile à l'entrée variant de 100 PPM à plus de 2000 PPM et en sortie inférieure ou égale à 20 PPM Le pouvoir sépa- rateur pour les gouttelettes en suspension d'un diamètre supérieur à 2/um est total pour une différence de densité eau/huile de 0,15. La vitesse de rotation de l'ensemble: tambour intérieur, porte assiettes et vis est de 5000 t/mn et celle du bol extérieur de 200 t/mn par rapport au tambour extérieur. Le nombre d'assiettes est de 560 et l'espace inter- assiettes de l'ordre de 0,5 mm. La centrifugeuse a une longueur de 2,5 mètres pour un diamètre de l'ordre de 0,70 m. Le rendement de récupération est de l'ordre de % rapporté à la puissance cinétique transmise au fluide. REVENDICATIONS 1 Centrifugeuse industrielle à fort débit et rendement énergétique amélioré, pour l'épuration d'un liquide incluant en suspension des particules solides plus denses et/ou en émulsion des gouttelettes d'un fluide moins dense, du type comprenant un rotor essentiellement formé d'un empilage d'assiettes de centrifugation tournant à grande vitesse entre deux tambours cylindriques coaxiaux, des moyens pour l'introduction et l'évacuation du liquide en continu et des moyens pour l'extraction sélective des impuretés séparées, caractériséeen ce uel dans l'intervalle entre un tambour cylindrique extérieur (B) et un tambour intérieur (A), entralnés en rotation co-axiale de façon indépendante et respectivement munis de moyens d'évacuation des phases séparées, est disposé un empilage d'assiettes ( 33) tournant avec le tambour intérieur et alimenté en liquide à épurer à travers une admission axiale suivie d'un rouet centrifuge, et en ce que le liquide épuré sort dudit espace à travers un rouet de sortie donstitué d'aubes ( 39) soli- daires du tambour intérieur (A) et formant une turbine cen- tripète, puis à travers des éjecteurs tangentiels ( 40) solidaires du tambour extérieur (B) et formant un tourniquet à réaction, agencé de manière que la vitesse absolue de sortie du liquide épuré soit sensiblement nulle, de sorte que ladite turbine et ledit tourniquet restituent sous forme de couple moteur la majeure partie du moment cinétique com- muniqué au liquide, et qu'en conséquence, la puissance motrice requise en régime continu est limitée à la compensation des pertes par frottement 2 Centrifugeuse selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les jets de liquide épuré issus des éjecteurs ( 40) frappent des aubages fixes ( 45) disposés et agissant pour faciliter son évacuation. 3 Centrifugeuse selon la revendication 2, caracté- risée en ce que les aubages fixes ( 45) sont montés orientables et/ou disposés en spirale dans une volute ( 47) de révolution. 4 Centrifugeuse selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'extraction 11 2532198 des particules solides comprend une vis de raclage ( 36) qui entoure l'empilage d'assiettes ( 5) solidaire du tambour intérieur (A) et refoule axialement les particules accu= mulées sur la paroi cylindrique du tambour extérieur (B) tournant à vitesse légèrement différente pour les amener dans une chambre périphérique ( 25) ménagée en bout dudit tambour extérieur. Centrifugeuse selon la revendication 4, caracté- risée en ce que la chambre périphérique ( 23) débouche à 1 o O l'extérieur par des passages radiaux ( 28) normalement obturés par la périphérie d'un fond axialement mobile ( 19) agencé en bout du tambour extérieur (B). 6 Centrifugeuse selon la revendication 5, caracté- risée en ce que le fond mobile ( 19) et le tambour extérieur (B) délimitent une chambre annulaire ( 59) débouchant à l'ex- térieur par un orifice calibré ( 60) de fuite et dans laquelle un débit supérieur d'eau ou autre liquide est introduit sous une pression suffisante pour maintenir ledit fond en position d'obturation. 7 Centrifugeuse selon la revendication 6 caracté- risée en ce que la chambre annulaire ( 59) communique par un canal ( 58) avec le fond de rayon inférieur d'une rigole annulaire ( 55), agencée sur la paroi extérieure du tambour extérieur (B) et ouverte vers son axe, dans laquelle l'eau est déversée par une crosse fixe ( 57). 8 Centrifugeuse selon la revendication 7, caracté- risée en ce que le fond mobile ( 19) et le tambour extérieur (B) délimitent une seconde chambre annulaire ( 24) intérieure à la première et débouchant à l'intérieur du tambour par des canaux ( 63) judicieusement disposés, dans laquelle est injectée sous pression par un canal ( 25) une fraction de l'eau ou autre liquide se déversant de la rigole ( 55) dans une rigole adjacente ( 56). 9 Centrifugeuse selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'extraction de fluide moins dense comprennent des passages radiaux ( 49) traversant la paroi du tambour extérieur (A) 12 2532198 et une crosse axiale fixe ( 50) écopant ledit fluide accumulé dans ledit tambour. Centrifugeuse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour l'épuration d'effluents ou eaux résiduaires, notamment dans l'industrie pétrolière.