Brevet FR2545005A1 — publié le 19841102

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux centrifugeuses, et plus particulièrement à une centrifugeuse de décantation à cuve solide. Les centrifugeuses de décantation sont bien connues, et comprennent généralement une cuve centrifuge rotative, dans laquelle un convoyeur à vis tourne à une vitesse légère- lsent différente De telles centrifugeuses sont capables d'être alimentées en continu dans la cuve et de séparer l'alimenta- tion en couches de matériaux en phases légère et lourde, qui la sont déchargés séparément de la cuve La structure du convo- yeur à vis, tournant à une vitesse différentielle par rapport à la cuve, déplace la couche externe du matériau en phase lourde vers un orifice de décharge généralement situé dans une partie d'extrémité conique ou de section décroissante de la cuve La force centrifuge tend à faire en sorte que le matériau en phase légère soit déchargé par un ou plusieurs orifices généralement situés dans l'extrémité opposée de la cuve. Une séparation par centrifugation efficace néces- site que le matériau en phase légère soit déchargé alors qu'il ne contient pas ou peu de matériau en phase lourde, et le matériau en phase lourde doit être déchargé en ne contenant qu'une faible quantité de matériau en phase légère Par exemple, si le matériau en phase légère est de l'eau et le matériau en phase lourde est des solides mous, il est préféra- ble que des solides relativement bien asséchés et de l'eau claire soient déchargés séparément. Les centrifugeuses de décantation reçoivent de nombreusesapplications industrielles variées Par exemple, elles sont utilisées dans l'industrie pétrolière, afin de traiter des boues de forage, pour séparer des solides de forage indésirables de la boue liquide de grande valeur Dans de telles applications, les centrifugeuses de décantation présentent l'avantage d'être moins susceptibles d'être obs- truées par des solides que d'autres types de centrifugeuses. De plus, les centrifugeuses de décantation peuvent être arrêtées pendant des périodes de temps longues ou courtes et ensuite remises en fonctionnement avec un minimum de dif- ficultés, contrairement à la plupart des autres centrifu- geuses, qui nécessitent un nettoyage afin d'enlever les solides séchés. Il y a de nombreuses applications dans l'industrie Détrolière et dans d'autres industries,, dans lesquelles la centrifugeuse de décantation doit traiter le mélange solides/ liquide à des vitesses d'alimentation extraordinairement élevées Lorsque la conception conventionnelle de base est modifiée afin de s'adapter a de telles vitesses d'alimenta- tion, il a été trouvé que des couples élevés sont développés, l'énergie nécessaire pour traiter le mélange devient prohi- bitif, et la taille physique de la centrifugeuse devient également prohibitive. De plus, lorsque des volumes d'alimentation plus importants sont traités dans une machine de centrifugation donnée, la capacité de clarification de la centrifugeuse diminue rapidement en raison d'une surface de dépôt relative amoindrie, d'une accélération partielle ou d'une non-acrêlé- ration (glissement) du fluide alimenté (le mélange solides/ liquide), d'une décélération du fluide causée par le mouve- ment du fluide dans le convoyeur, et d'une turbulence créée par le mouvement de volumes importants de fluide dans l'hélice conventionnelle des palettes de convoyeur conven- tionnelles. En conséquence, il existe un besoin d'une centri- fugeuse de décantation capable d'un fonctionnement continu, de grande capacité, à des vitesses d'alimentation élevées et pour des volumes importants. Conformément à la présente invention, on propose une centrifugeuse à cuve solide en rotation continue et de grande capacité, qui peut traiter un mélange solides/liquide à une vitesse d'alimentation élevée, en consommant une puis- sance relativement faible, et en assurant une clarification relativement élevée. Dans un mode de réalisation, le convoyeur comprend plusieurs aubes sensiblement longitudinales Des palettes sont diposées d'une manière générale autour des aubes longi- tudinales, afin de délimiter ainsi plusieurs canaux longitu- dinaux, dans lesquels le liquide séparé s'écoule à la manière d'un "écoulement-bouchon" essentiellement parallèle à l'axe de rotation. Conformément à un aspect de la présente invention, les aubes sont disposées radialement par rapport à l'axe longitudinal de rotation Conformément à un autre aspect de l'invention, les aubes sont inclinées selon un angle aigu par rapport à un rayon issu de l'axe longitudinal de rota- tion, afin d'augmenter ainsi la surface de dépôt et donc la capacité de centrifugation de la centrifugeuse Conformé- ment à un autre aspect encore-de l'invention, les aubes longitudinales sont courbées de telle sorte que l'angle entre l'aube courbée et un rayqn issu de l'axe longitudinal de rotation soit maintenu essentiellement constant, afin d'augmenter encore ainsi la surface de dépôt de la centrifu- geuse. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, une structure de conduit d'alimentation double est agencée de sorte que des matériaux d'alimentation plus légers peuvent être introduits dans la centrifugeuse et dirigés dans son tronçon cylindrique muni d'aubes afin d'optimiser l'enlèvement de fines, et des mélanges d'alimen- tation plus lourds peuvent être introduitsen plus dans la centri- fugeuse, afin de réduire le couple au niveau de la boite de vitesses Grâce à cet agencement, des matériaux d'alimen- tation relativement plus lourds et plus légers peuvent être introduits à des vitesses d'alimentation-différentes. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation, et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: les figures 1 A, 1 B et 1 C représentent des centri- fugeuses de décantation connues, la figure 2 A est une représentation schématique d'une centrifugeuse à cuve solide conforme à la présente invention, la figure 2 B est une représentation schématique de la structure d'aubes radiales de la centrifugeuse repré- sentée sur la figure 2 A, vue de l'extrémité de décharge de l'effluent, les figures 3 A et 3 B sont des représentations schématiques de structures d'aubes longitudinales inclinées et courbées, conformes à la présente invention, les figures 4 A et 4 B sont des représentations schématiques d'un convoyeur conforme à la présente invention, et la figure 5 est une représentation schématique d'une variante de réalisation de la centrifugeuse représentée sur la figure 2 A. La figure 1 représente des centrifugeuses de décan- tation à cuve solide connues En se référant à la figure 1 A, une centrifugeuse de déQantation 10 à cuve solide comporte une cuve de centrifugation 12 qui comprend une partie cylindrique 14 et une partie 16 conique ou de section 2 Q décroissante, ces deux parties se terminant par des plaques d'extrémité circulaires 18 et 20, respectivement Des arbres d'extrémité creux 22 et 24 font saillie à partir des plaques d'extrémité circulaires 18 et-20 et sont montés tourillon- nants dans des roulements de palier 26 et 28. Un convoyeur 30, ayant des arbres d'extrémité 32 et 34 montés tourillonnants dans des paliers 36 et 38, est monté indépendamment rotatif à l'intérieur de la cuve 12. Le convoyeur 30 présente une partie centrale cylindrique à l'intérieur de laquelle est aménagée une chambre 40 des- tinée à la réception de mélanges d'alimentation provenant d'un orifice 42 ménagé dans un conduit d'entrée 44 Le con- voyeur comprend de plus une vis 46, constituée d'une palette hélicoïdale dont le contour suit étroitement celui des parties cylindrique et conique de la cuve de centrifugation. L'arbre d'extrémité 32 est entraîné par l'arbre. de sortie d'une boîte de vitesses 48, et l'arbre d'extrémité 34 est entraîné par une courroie 50 et un moteur électrique 52 La cuve 12 est entraînée en rotation à une vitesse infé- rieure ou supérieure à celle du convoyeur 30. En se référant à présent aux figures 1 B et 1 C, une centrifugeuse de décantatiuon conventionnelle est repré- sentée par une vue en perspective avec arrachement Le mélange solides/liquide à traiter est introduit dans la centrifugeuse 10 par une entrée 43 du conduit d'entrée 44. Le mélange d'alimentation est accéléré dans le convoyeur et introduit dans la chambre de séparation 40 par des orifices d'alimentation 31 situés dans le moyeu du convoyeur 30. En fonctionnement, lorsque le mélange solides/ liquide se déplace dans la chambre 40, il est soumis à des forces de gravité élevées produites par l'ensemble rotatif. Sous l'effet de ces forces, le mélange d'alimentation est répandu contre la surface interne de la cuve 12, en formant une couche liquide ou masse liquide ayant un niveau liquide 54. Les solides plus fins et plus légers ainsi que le liquide libre plus léger se déplacent vers l'extrémité la plus large de la centrifugeuse et sortent par des orifices de trop-plein 56 sous la forme d'un produit de décharge 58 constitué de liquide et de matières solides en phase collol- dale Les orifices de trop-plein 56 sont situés dans la plaque d'extrémité 18, comme cela est clairement représenté sur la figure 1 C Le niveau liquide 54 est contrôlé en réglant la position des orifices de trop-plein 56 Des ori- fices 56 a donnent un faible niveau liquide, tandis que des orifices 56 b donnent un niveau liquide moyen, et que des orifices 56 c donnent un niveau liquide élevé. Au fur et à mesure que le matériau en phase légère se déplace vers l'extrémité la plus large de la centrifugeuse, les solides plus lourds et plus gros se déposent contre la paroi interne de la cuve 12 et sont déplacés vers l'extrémité conique de la cuve par les palettes hélicoïdales 46 portées sur le convoyeur 30 Les palettes du convoyeur poussent les solides le long d'une plage de drainage inclinée 60, sur laquelle ils sont décantés, et des solides concentres, ne contenant que du liquide adsorbé sortent de la centrifugeuse par les orifices de décharge 62 des solides La vitesse différentielle entre la cuve 12 et le convoyeur 30 crée le mouvement nécessaire au convoyage des solides déposés. L'appareil ci-dessus décrit est dé-Jà connu, ainsi que son mode de fonctionnement et le procédé mis en oeuvre. En se référant à présent aux figures 2 à 5, et en particulier à la figure 2 A, on a représenté, sous forme schématique, une centrifugeuse 100 conforme à la présente invention, ayant plusieurs aubes radiales 102 disposées lon- gitudinalement Autour des aubes 102 sont enroulées des palettes 104 dont la taille est réduite pas à pas de l'extrémité des solides de la centrifugeuse à l'extrémitê de l'effluent, comme cela est clairement représenté surla figure 4 A Les aubes 102 et les palettes 104 coopèrent afin de délimiter des canaux longitudinaux 106, clairement repré- sentés sur la figure 4 B. En fonctionnement, le liquide se déplace longitudi- nalement dans les canaux 106 vers l'extrémité de décharge de l'effluent 108 de la centrifugeuse 100, oi il se produit une décharge d'effluent 110 e Les solides sont déplacés vers un ou plusieurs orifices 112 de décharge des solides (dont un seulement est représenté) par les palettes 104, en tirant parti de la rotation différentielle entre la cuve 114 et le convoyeur 116. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 A, 2 B, 4 A et 4 B, les aubes longitudinales 102 sont radiales, c'est-à-dire qu'elles sont disposées le long de rayons issus de l'axe longitudinal de rotation de la centri- fugeuse Avec une telle configuration, la surface de dépôt telle que représentée sur la figure 2 B dans un secteur angu- laire a situé entre des aubes 102 a et 102 b est en relation avec la surface 114 a de la paroi interne de la cuve 114. La surface de dépôt peut être augmentée, en favorisant ainsi l'aptitude au dépôt ou la capacité de centrifugation della centrifugeuse, en modifiant la-structure des aubes. La figure 3 A représente une variante de réalisa- tion, dans laquelle des aubes longitudinales inclinées 118 a et 118 b sont chacune disposées de manière à former un angle aigu par rapport à un rayon issu de l'axe longitudinal de la centrifugeuse La zone de dépôt dans le secteur angulaire a situé entre des aubes 118 a et 118 b est liée à la surface 114 a de la paroi interne de la cuve 114 et à la surface interne située dans le secteur angulaire a des aubes incli- nées. La figure 3 B représente une autre variante de réa- lisation, ayant des aubes courbées 119 a et 119 b Le contour de la courbure est choisi de sorte qu'un angle aigu constant b est maintenu entre un rayon 115 issu de l'axe longitudinal du convoyeur 116 et l'aube longitudinale courbée 119 Dans le mode de réalisation représenté, la surface de dépôt dans le secteur angulaire a situé entre les aubes longitudinales courbées 119 a et 119 b est liée à la zone de surface 114 a de la paroi interne de la cuve 114 et à la zone de surface interne située dans le secteur angulaire a des aubes courbées. La valeur de l'angle aigu entre un rayon issu de l'axe longitudinal de la centrifugeuse et une aube inclinée ou une aube courbée est généralement inférieure à celle de l'angle naturel de repos des matériaux solides qui sont traités La configuration d'aubes courbées, dans laquelle la valeur de l'angle aigu est maintenue sensiblement cons- tante sur toute la longueur de l'aube, permet de maintenir cette condition angulaire tout en optimisant la surface de dépôt de la structure des aubes. Il a été trouvé que la structure d'aubes longitu- dinales inclinées illustrée sur la figure 3 A donne une sur- face de dépôt approximativement double de celle donnée par la structure d'aube longitudinale et radiale, représentée sur la figure 2 B De plus, la structure d'aubes longitudina- les courbées, représentée sur la figure 3 B, donne une surface de dépôt qui est approximativement quatre fois celle donnée par la structure d'aubes longitudinales et radiales représen- tée sur la structure 2 B. La présente invention permet à la masse liquide à l'intérieur de la cuve rotative d'être plus profonde, en réduisant la puissance nécessaire à l'entraînement de la centrifugeuse Cependant, l'augmentation de la profondeur de la masse liquide dans des centrifugeuses conventionnelles réduit la surface de dépôt disponible pour la clarification liquide Mais la surface supplémentaire obtenue par la con- tribution des aubes longitudinales selon la présente inven- tion non seulement compense la surface de dépôt perdue par l'augmentation de la profondeur de la masse liquide, mais augmente cette surface au-delà de celle des centrifugeuses conventionnelles de taille similaire. En outre, la surface de dépôt de la présente cen- trifugeuse peut être augmentée dans une large mesure en ajoutant un plus grand nombre d'aubes longitudinales Ceci permet d'augmenter la surface de dépôt tout en conservant la même longueur et le même diamètre de la cuve Dans les centrifugeuses conventionnelles, la surface de dépôt est augmentée en augmentant la longueur et/ou le diamètre de la cuve, d'o il résulte une machine plus volumineuse. La conception à aubes longitudinales augmente le rendement de séparation de la centrifugeuse lorsqu'on le compare à celui des centrifugeuses conventionnelles de taille similaire Le rendement accru est principalement dû à la surface de dépôt augmentée et au fait que le liquide s'écoule à la manière d'un "écoulement-bouchon", parallèlement à l'axe de rotation, plutôt que selon un "écoulement turbulent" autour de la vis hélicoldale des centrifugeuses convention- nelles. Les aubes longitudinales peuvent servir d'accéléra- teurs qui tendent à amener et à maintenir le mélange solides/ liquide à la vitesse de la cuve avant que le mélange ne soit introduit dans la chambre de séparation Ceci élimine dans une large mesure le glissement L'accélération peut de plus être augmentée par une structure représentée sur la figure 5. En se référant à présent à la figure 5, une variante de réalisation d'une centrifugeuse de grande capaci- té conforme à la présente invention est représentée avec une structure d'alimentation double La structure d'alimenta- tion double comprend un conduit d'alimentation 150 en fluide léger, concentrique à l'axe de rotation du convoyeur, et s'étendant jusque dans une chambre ou espace 152 d'accéléra- tion Un conduit d'alimentation 154 en fluide lourd, disposé coaxial par rapport au conduit 150, s'étend jusque dans une autre chambre ou espace d'accélération 153 Les conduits et 154 sont agencés afin d'introduire le mélange plus lourd solides/liquide plus avant dans la machine que le mélange plus léger solides/liquide Le mélange plus lourd, en raison de son poids, est plus facilement séparé, et son introduction plus avant dans la machine réduit le couple résultant au niveau de la boite de vitesses. Le mélange plus léger solides/liquide, introduit par le conduit 150, peut être introduit à une vitesse d'ali- mentation très élevée Le fluide plus léger est dirigé par un système de guidage du fluide 156 dans le tronçon cylin- drique muni d'aubes de la machine, afin d'optimiser l'enlève- ment des fines. En se référant toujours à la figure 5, un pré-accâlé rateur hélicoïdal 158 est disposé dans l'alésage du conduit d'alimentation 150 en fluide léger Un accélérateur conique de fluide est disposé à proximité de l'extrémité du conduit d'alimentation 150 et s'étend dans la chambre d'accé- lération 152 Un second accélérateur conique 162 de fluide est disposé à proximité de l'extrémité du conduit d'alimenta- tion 154 en fluide lourd, et s'étend dans la chambre d'accé- lération 153 Le système de guidage du fluide 156 est disposé en position intermédiaire entre les accélérateurs de fluide et 162, et il sépare les chambres d'accélération 152 et 153 l'une de l'autre Les accélérateurs 158, 160 et 162 sont optionnels, et, dans de nombreuses applications, ils peuvent être éliminés en tout ou partie. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Centrlfugeuse ( 10 v) à cuve solide, destinée à la séparation d'un mélange solides/liquide, ayant une extrémité de décharge des solides et une extrémité de décharge de l'effluent, caractérisée en ce que ladite centri- fugeuse comprend: une structure de convoyeur ( 116) destinée à tour- ner avec une vitesse différentielle par rapport à la cuve ( 114), ladite structure de convoyeur ( 116) comprenant: plusieurs aubes ( 102) sensiblement longitu- dinales, et une structure de palette hélicoïdale ( 104) disposée généralement autour desdites aubes sensiblement longitudinales, ladite structure de palette comportant des palettes dont la taille est réduite de l'extrémité des solides à l'extrémité de l'effluent de la centrifugeuse. 2 Une centrifugeuse à cuve solide selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que: ladite centrifugeuse comprend une partie cylin- drique, lesdites aubes longitudinales ( 102) sont disposées sensiblement dans ladite partie cylindrique de ladite centri- fugeuse ( 100), et lesdites aubes longitudinales ( 102) sont d'une taille qui augmente de l'extrémité des solides à l'extrémité de l'effluent de ladite centrifugeuse ( 100). 3 Centrifugeuse à cuve solide selon la revendica- tion 2, caractérisée en ce que de plus lesdites aubes longi- tudinales ( 102) sont chacune sensiblement planes. 4 Centrifugeuse à cuve solide selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que de plus l'une au moins des- dites aubes ( 102) longitudinales est disposée radialement par rapport à l'axe longitudinal de la structure du convoyeur ( 116). 5 Centrifugeuse à cuve solide selon la revendica- tion 3, caractérisée de plus en ce que l'une au moins des- dites aubes ( 102,118) longitudinales est disposée en formant un angle aigu par rapport à un rayon issu de l'axe longitu- dinal de la structure du convoyeur ( 116). 6 Centrifugeuse à cuve solide selon la revendi- cation 2, caractérisée de plus en ce que lesdites aubes lon- gitudinales ( 102,119) sont chacune sensiblement courbées. 7 Centrifugeuse à cuve solide selon la revendica- tion 6, caractérisée de plus en ce que l'une au moins des- dites aubes ( 102,119) longitudinales courbées est disposée selon un angle aigu constant (a) par rapport à un rayon issu de l'axe longitudinal de la structure du convoyeur ( 116). 8 Centrifugeuse à cuve solide destinée à la sépa- ration d'un mélange solides/liquide et ayant une extrémité de décharge des solides et une extrémité de décharge de l'effluent, caractérisée en ce que ladite centrifugeuse comprend une cuve ( 114), une structure de guidage du-fluide ( 156), une structure de convoyeur ( 116) destinée à tourner avec une vitesse différentielle par rapport à la cuve ( 114), ladite structure de convoyeur ( 116) et ladite cuve ( 114) coopérant afin de délimiter une chambre d'accélération ( 152, 153), ladite chambre d'accélération ayant une première ( 152) et une seconde ( 153) zone séparées par ladite structure de guidage du fluide dans ladite seconde zone ( 153) de ladite chambre d'accélé- ration. 9 Centrifugeuse à cuve solide selon la revendica- tion 8, caractérisée de plus en ce que: ladite première structure d'alimentation ( 150) comprend un premier canal cylindrique ( 150) ayant un premier diamètre, et ladite seconde structure d'alimentation ( 154) comprend un second conduit cylindrique ( 154) ayant un diamè- tre plus petit que ledit premier diamètre, lesdits premier et second conduits cylindriques étant disposés sensiblement coaxialement l'un à l'autre. Centrifugeuse à cuve solide selon la revendica- tion 9, caractérisée de plus en ce que ladite structure d'alimentation comprend: une structure de pré-accélération hélicoïdale ( 158) disposée dans l'alésage dudit premier conduit cylindrique ( 150), et une structure d'accélération conique ( 160,162) disposée longitudinalement dans ladite chambre d'accélération ( 152,153) à proximité de l'un au moins desdits premier ( 150) et second ( 154) conduits cylindriques. 11 Centrifugeuse à cuve solide selon la revendi- cation 9, caractérisée de plus en ce que ladite structure d'alimentation comprend: un premier accélérateur conique ( 160) disposé lon- gitudinalement dans ladite zone ( 152) de ladite chambre d'accélération qui est à proximité dudit premier conduit cylindrique ( 150), et un second accélérateur conique ( 162) disposé lon- gitudinalement dans ladite seconde zone ( 153) de ladite chambre d'accélération qui est à proximité dudit second conduit cylindrique ( 154). 12 Centrifugeuse à cuve solide destinée à la sépa- ration d'un mélange solides/liquide, et ayant une extrémité de décharge des solides et une extrémité de décharge de l'effluent, caractérisée en ce que ladite centrifugeuse com- prend une cuve ( 114), une structure de convoyeur ( 116) destinée à tourner à une vitesse différente par rapport à celle de la cuve ( 114), ladite structure de convoyeur ( 116) et ladite cuve ( 114) coopérant afin de délimiter une chambre d'accélération ( 152,153), et ladite structure de convoyeur ( 116) comprenant: plusieurs aubes ( 102) sensiblement longitudi- nales, lesdites aubes étant d'une taille qui augmente pas à pas de ladite extrémité des solides à ladite extrémité de l'effluent de ladite centrifugeuse ( 100), et une structure de palette hélicoïdale ( 104) disposée généralement autour desdites aubes ( 102) sensible- ment longitudinales, ladite-structure de palette ( 104) com- prenant des palettes de taille réduite pas à pas de l'extré- mité des solides à l'extrémité de l'effluent de ladite cen- trifugeuse ( 100), ladite structure à palette ( 104) et les- dites aubes ( 102) coopérant afin de délimiter plusieurs canaux sensiblement longitudinaux ( 106), une structure d'alimentation destinée à introduire le mélange solides/liquide dans la chambre d'accélération ( 152,153) ladite structure d'alimentation comprenant: un premier conduit cylindrique ( 150) ayant un premier diamètre, un second conduit cylindrique ( 154) ayant un diamètre plus petit que ledit premier diamètre, une première structure d'accélération ( 160) dis- posée dans ladite chambre d'accélération ( 152) à proximité du premier conduit cylindrique ( 150), une seconde structure d'accélération ( 162) disposée dans la chambre d'accélération ( 153) à proximité du second conduit cylindrique ( 154), et une structure de guidage du fluide ( 156) disposée dans la chambre d'accélération ( 152,153) en position intermé- diaire entre lesdites première ( 160) et seconde ( 162) struc- tures d'accélération.