Brevet FR2526673A1 — publié le 19831118

La présente invention concerne un dispositif de mélange de fluides de viscosités différentes. On mélange couramment des matières solides par- ticulaires, des liquides et des gaz avec des mélangeurs statiques qui, comme leur nom l'indique, n'ont pas de piè- ces mobiles Les mélangeurs de ce type comportent des dé- flecteurs de différents types disposés en série dans un -tube ou une tuyauterie Des processus de division et de recombinaison permettent 'Le mélange ou la dispersion des ingrédients introduits séparément l'un avec l'autre à la sortie du tube ou de la tuyauterie. Cependant, le mélange de matièresayant des vis- cosités très disparates et/ou des débits très différents présente souvent des difficultés Par exemple, dans le domaine des polymères, il est parfois souhaitable de mé- langer de très faibles quantités d'une matière de faible viscosité à une quantité beaucoup plus grande d'une ma- tière de viscosité élevée Lorsque l'opération est exécutée, la matière de faible viscosité a tendance à s'infiltrer dans les éléments de mélange sans se mélanger à la matière de viscosité élevée d'une manière significative Par exem- ple, on peut souhaiter mélanger un courant ayant un débit de 28 1/min d'un polymère ayant une viscosité de 30 millions de centipoises, avec un second courant ayant un débit de 0,14 1/min d'une matière ayant une viscosité de 6 centipoises. On a essayé divers procédés pour l'obtention d'une dispersion ou d'un mélange initial au point d'injec- tion de la matière de faible viscosité Ces procédés com- prennent par exemple l'utilisation de plusieurs canaux d'injection placés autour de la circonférence d'une tuyau- terie Un second procédé met en oeuvre une tuyauterie de diamètre relativement faible pour la circulation de la matière de faible viscosité qui passe diamétralement dans la tuyauterie principale qui transmet la matière de visco- sité élevée La tuyauterie de petit diamètre a une configu- ration telle qu'elle délimite plusieurs trous utilisés pourl'injection du fluide de faible viscosité Un problème que posent couramment ces dispositifs ayant des sorties f or- niant des trajets parallèles est que les ouvertures d'in- jection du fluide de faible viscosité se bouchent diffé- rentiellement si bien que la répartition est assymétrique. On sait que l'un des mécanismesqui permet le mélange des fluides est la diffusion Cependant, lorsqu'on utilise des matières de viscosité élevée qui donnent ha- bituellement un écoulement laminaire, les vitesses de dif- fusion sont très faibles On sait que la vitesse de trans- fert massique N de l'ingrédient qui diffuse, mesurée en moles par seconde par unité de surface, est égale au pro- duit de la diffusivité D multiplié par le gradient local de concentration d C/dr Ainsi: N^s D dc dr Comme D est faible dans une matière de viscosité élevée, il faut que le gradient de concentration d C/dr soit élevé afin que la valeur de la vitesse de transfert massique N soit maximale. L'invention concerne un dispositif de mélange statique ne présentant pas les inconvénients des disposi- tifs correspondants connus. Elle concerne un tel dispositif statique de mé- lange particulièrement utile pour le mélange d'au moins deux fluides ayant des viscosités très différentes. Elle concerne aussi un tel mélangeur statique qui rend maximale la vitesse de transfert massique N afin que la diffusion entre les fluides à mélanger soit accrue. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une perspective avec des parties arrachées d'un mode de réalisation de mélangeur selon l'in- vention; la figure 2 est une vue en plan du dispositif de la figure 1; et la figure 3 est un second mode de réalisation de mélangeur selon l'invention ayant un canal modifié d'alimentation du fluide de faible viscosité. La vitesse de transfert massique N peut être accrue par réduction de dr, dans l'équation indiquée pré- cédemment En principe, cette réduction peut être réalisée par disposition d'une tuyauterie de diamètre relativement petit transversalement au diamètre d'un tube ou d'une tuyau- terie plus grand, la tuyauterie de petit diamètre ayant une mince fente sur sa longueur L'ingrédient fluide quit- tant la fente est introduit sous forme de très minces feuilles, mais les problèmes de bouchage indiqués précédem- ment présentent néanmoins de nombreuses difficultés dans ce procédé. Ces problèmes sont résolus par réalisation d'un dispositif qui comporte un organe tubulaire allongé, celui- ci étant rétréci entre ses extrémités par une zone de mé- lange qui comprend (a) au moins deux orifices qui sont de préférence sensiblement cylindriques et dont les axes sont sensiblement parallèles à l'axe de l'organe tubulaire afin qu'ils transportent un premier fluide, et (b) un canal d'entrée de fluide destiné à évacuer le second fluide pra- tiquement entre les deux orifices, à leur point de tan- gence ou à son voisinage. Sur la figure 1, le dispositif 8 de mélange compoite un organe tubulaire 1 qui a un rétrécissement 9, ce rétrécissement comprenant par exemple deux orifices , 6 pour la circulation du fluide de viscosité relative- ment élevée Bien qu'on ait représenté des sections d'ori- fices circulaires, cette caractéristique n'est pas indis- pensable. Le canal 15 d'entrée du fluide de faible visco- sité est de préférence un orifice placé dans un tube représenté en direction radiale, à travers les parois latérales de l'organe tubulaire 1 Le fluide de faible viscosité pénètre dans le mélangeur statique selon l'in- vention par le tube et sa vitesse d'évacuation est réglable par un dispositif de pompage (non représenté). Comme l'indiquent les figures 1 et 2, le tube est disposé radialement dans l'organe tubulaire 1, aux points centraux des orifices 5, 6 Ce montage est réalisé par raison de symétrie Cependant, le tube 20 peut passer à travers les parois latérales de l'organe tubulaire 1 en d'autres points, par exemple à 90 de la position repré- sentée, et peut encore donner les caractéristiques avanta- geuses de mélange selon l'invention. En l'absence des orifices 5, 6, un fluide de faible viscosité pénétrant dans un courant de viscosité élevée par un canal 15 d'entrée formerait simplement un mince courant linéaire, lors du passage des fluides dans l'organe tubulaire 1 Cependant, la mise en oeuvre de l'in- vention montre de façon surprenante que le fluide 20 de faible viscosité forme un plan allcngé-suivant un dia- mètre de la tuyauterie, augmentant beaucoup la diffusion moléculaire des fluides de viscosités faible et élevée. La surface disponible pour la diffusion est augmentée d'un facteur qui est de l'ordre de 25 à 50 fois, alors que, simultanément, la valeur de d C/dr augmente. Comme indiqué précédemment, l'invention est par- ticulièrement avantageuse pour le mélange de fluide ayant des viscosités très différentes Dans un cas idéal, le rapport des viscosités du premier et du second fluide doit être d'environ 1000/1 ou plus afin que le mélangeur stati- que selon l'invention présente tous ces avantages. Le rétrécissement 9 formant la zone de mélange à partir de laquelle les deux orifices au moins sont formés, peut avoir un certain nombre de configurations différentes. On constate que, lorsque les parois du rétrécissement 9 sont perpendiculaires à la circonférence de l'organe tubu- laire 1, radialement, une partie du fluide mélangé peut se déposer dans des zones de repos proches des parois laté- rales internes de l'organe tubulaire Ainsi, il est préfé- rable, comme représenté sur la figure 1, que les parois latérales du rétrécissement 9 soient inclinées, la pente étant par exemple de l'ordre de 450 par rapport à l'axe central de l'organe tubulaire 1. La figure 3 représente un autre mode de réali- sation dans lequel le trou unique 15 formant le canal d'éva- cuation du fluide de faible viscosité, représenté sur les figures 1 et 2, est remplacé sur la figure 3 par un orifice formé aux extrémités distantes d'une tige pleine 3 et d'un tube 4 Comme dans les modes de réalisation précédents, le tube et la tige sont disposés radialement à travers les parois latérales de l'organe tubulaire 1 Le fluide de faible viscosité pénètre dans le mélangeur statique selon l'invention par le tube, et son débit d'évacuation dépend de la distance séparant les extrémités en regard du tube et de la tige. L'avantage obtenu par utilisation du mode de réalisation de la figure 3, par rapport à celui des fi- gures 1 et 2, est simplement la commodité du réglage du débit d'évacuation du fluide de faible viscosité et, ac- cessoirement, l'augmentation de la facilité de la lutte contre le bouchage de l'orifice d'évacuation du fluide de faible viscosité Ainsi, lorsque le tube 3 et la tige 4 sont en contact, l'extrémité ouverte du tube peut être nettoyée dans une certaine mesure, bien qu'un nettoyage plus intense puisse être réalisé par enlèvement réel du tube de l'organe tubulaire 1. L'invention est particulièrement avantageuse lorsqu'elle est mise en oeuvre en amont d'un second appa- reil de mélange plus classique Le mélange des fluides de densités élevée et faible est difficile pour les raisons indiquées précédemment, surtout lors de l'utilisation des dispositifs classiques Le montage du mélangeur de fluide à deux viscosités différentes selon l'invention en amont d'un mélangeur statique directement raccordé permet la formation d'un courant de fluide qui contient essentiel- lement du fluide de densité élevée contenant un feuillet de fluide de faible viscosité partiellement prémélangé, cette condition augmentant beaucoup le mélange final. Les rétrécissements 5 et 6 n'ont pas obliga- toirement la section circulaire représentée sur les fi- gures En fait, on peut utiliser pratiquement toute con- figuration ayant une circonférence sensiblement courbe. Naturellement, le nombre de possibilités étant infini, on ne peut pas le décrire Ainsi, il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemples préférentiels et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mélange d'au moins deux fluides, comprenant un organe tubulaire allongé ( 1) dans lequel est formé un rétrécissement entre ses extrémités, avec une zone de mélange, caractérisé en ce qu'il comprend (A) au moins deux orifices ( 5, 6) dont les axes sont sensiblement parallèles à l'axe de l'organe tubulaire ( 1) afin qu'ils transmettent un premier fluide, et (B) un canal ( 15) d'entrée de fluide destiné à décharger un second fluide pratiquement entre les ori- fices cylindriques. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois latérales du rétrécissement sont in- clinées par rapport aux parois latérales de l'organe tubu- laire ( 1). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'inclinaison correspond à un angle de 450 envi- ron par rapport aux parois latérales de l'organe tubulaire. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal d'entrée de fluide comporte un orifice formé aux extrémités opposées d'une tige pleine ( 4) et d'un tube ( 3)7 la tige et le tube étant disposés radialement en travers des parois latérales de l'organe tubulaire ( 1). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal ( 15) d'entrée de fluide est formé par un trou d'un tube qui passe à travers les points centraux des orifices et est disposé radialement à travers les parois latérales de l'organe tubulaire allongé ( 1). 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport des viscosités du premier au second fluide est d'au moins 1000/1 environ. 7 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la zone de mélange comporte deux orifices ( 5, 6) et la tige ( 4) et le tube ( 3) formant le second canal d'entrée traversent le corps et les parois latérales de l'organe tubulaire ( 1) entre les deux orifices. 8 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux orifices ( 5, 6) sont sensiblement cy- lindriques. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en e que le canal d'entrée de fluide comporte un orifice formé aux extrémités d'une tige pleine ( 4) et d'un tube ( 3), la tige et le tube étant disposés radialement à tra- vers les parois latérales de l'organe tubulaire allongé ( 1). Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la zone de mélange comporte deux orifices sensi- blement cylindriques ( 5, 6), et la tige ( 4) et le tube ( 3) formant le canal d'entrée traversent les points cen- traux des orifices et sont disposés radialement à travers les parois latérales de l'organe tubulaire ( 1). 11 Dispositif de mélange d'au moins deux fluides, du type qui comporte un organe tubulaire ( 1) dans lequel est formé un rétrécissement entre ses deux extrémités, avec une zone de mélange, caractérisé en ce qu'il comprend (A) au moins deux orifices ( 5, 6) dont les axes sont sensiblement parallèles à l'axe de l'organe tubulaire et destinés à transporter un premier fluide, (B) un canal d'entrée de fluide destiné à évacuer un second fluide pratiquement entre les orifices cylindri- ques, et (C) un dispositif séparé de mélange placé en aval de l'organe tubulaire allongé et choisi parmi les mélangeurs statiques et continus.