Brevet FR2548050A1 — publié le 19850104

ECRANGEUR-CYCLONE A CONTRE COURANT La présente invention concerne les appareils destinés à l'échange de substances (dissolution - osmose - lavage...) ou de chaleur (chauffage refroidissement...) par contact direct entre un fluide et une matière en suspension dans ce fluide. Dans les échangeurs de ce type connus à ce jour, il est difficile d'obtenir un échange à la fois complet (rendement d'échange élevé) et rapide (coefficient d'échange élevé). En effet le rendement maximum de l'échange s'obtient par une circulation à contre 'courant du fluide et de la matière (échange méthodique) car cela permet de conserver, entre le fluide et la matière en contact, la différence de potentiel (teneur ou température) nécessaire à la poursuite de l'échange. Par ailleurs, un coefficient d'échange élevé implique une grande surface spécifique de contact entre le fluide et la matière donc une importante division de celle-ci. Or les fines particules de matière ont une vitesse de sédimentation faible et sont facilement entraînées par le fluide (circulation à co-courant) d'où la difficulté de réaliser un échange méthodique. Ansi un gain sur la rapidité de l'échange - donc sur la capacité de production de l'échangeur - s'accompagne généralement d'une perte de rendement. NOTA : Si la matière est peu perméable à l'échange, sa division est favorable non seulement à la capacité de l'échangeur mais aussi à son rendement, pourvu que les conditions méthodiques de l'échange puissent être conservées. Pour pallier cette difficulté, les meilleurs échangeurs de ce type (contact direct entre un fluide et une matière en suspension dans ce fluide) connus à ce jour simulent une circulation à contre courant de la matière et du fluide par une alternance de mélanges et de séparations Mélanges, le fluide et la matière circulent à co-courant, séparés ils circulent en sens contraire ; globalement la circulation résultante est un pseudo contre courant. Tel est notamment le cas des échangeurs voie sèche (EVS) utilisés pour la cuisson de pulvérulents en particulier dans les cimenteries. Par rapport à leur capacité de production de tels échangeurs sont généralement complexes et encombrants, leur consommation d'énergie est élevée, leur fonctionnement conserve en partie les inconvénients de l'échange à co-courant et exige parfois un conditionnement, de la matière défavorable à la rentabilité. Les échangeurs pseudo-méthodiques sont donc des appareils dont les coûts d'investissement, de fonctionnement, de maintenance sont élevés en regard de la valeur qu'ils permettent d'ajouter à la matière première. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients en réalisant simplement un échange parfaitement méthodique même lorsque la matière en suspension dans le fluide est divisée en fines particules. Comme un cyclone, il comporte une enveloppe de révolution autour d'un axe le plus souvent vertical (au besoin cet axe peut être oblique ou même horizontal). Le fluide est injecté dans l'enveloppe, à la distance maximale de l'axe, avec une vitesse initiale de rotation autour de cet axe. De ce fait ce fluide prend, dans l'enveloppe, un écoulement tourbillonnaire à symétrie axiale caractérisé en tout point par - une vitesse de rotation qui croit de l'injection vers l'axe (vortex libre) - une vitesse radiale centripète - une vitesse axiale Dans l'enveloppe la pression du fluide se transforme en énergie cinétique ; sous l'effet de la force centrifuge, le fluide sort à une extrémité de l'axe par une jupe coaxiale à l'enveloppe. (Cette jupe de sortie est généralement à l'extrémité supérieure de l'axe vertical ou oblique). La matière, finement divisée, entre par une ouverture annulaire concentrique extérieurement à la jupe de sortie du fluide. Au besoin, elle reçoit une impulsion de vitesse qui facilite son entratnement par le fluide. Une adaptation judicieuse - des conditions d'injection du fluide (vitesse, caractéristiques débit/pression) - des conditions d'injection de la matière (vitesse, débit...) - des caractéristiques de la matière (granulométrie) - des caractéristiques de l'échangeur (forme et dimension de l'enveloppe) permet d'obtenir radialement une circulation à contre courant du fluide et de la matiere : il suffit pour cela que les particules de matière centrifugées par la rotation du fluide, aient une vitesse relative de sédimentation supérieure à leur vitesse radiale centripète d'entrainement par le fluide. Après cet échange méthodique, la matière arrive au contact de l'enveloppe par gravité, centrifugation ou entrainement axial ; elle est alors entratnée par des écoulements rampants en couche limite qui l'amènent à un orifice de sortie, coaxial à l'enveloppe, à l'extrémité de l'axe opposée à la jupe de sortie du fluide. La section de sortie de la matière est inférieure à la section de sortie du fluide. Un disque de séparation, coaxial à l'enveloppe, permet, au besoin de réduire l'imperfection de la séparation fluide/matière à la sortie de l'échangeur. (réduction des sorties matières avec le fluide et des sorties de fluide avec la matière) Le disque de séparation peut être libre en rotation et réglable en translation selon l'axe de l'échangeur 9 son diamètre est en principe égal à celui de l'orifice de sortie du fluide toutefois son utilité subsiste lorsque son diamètre est compris entre celui des ouvertures de sortie du fluide et- de la matière. Pour limiter la perte de charge dans l'échangeur, on peut faire passer le fluide, avant qu'il ne sorte de l'échangeur, à travers une turbine coaxiale à l'échangeur, de diamètre légèrement supérieur à celui de l'orifice de sortie du fluide. Cette turbine est libre en rotation ; les aubages permettent de transformer l'écoulement à vortex libre du fluide en écoulement à vortex forcé dans lequel l'énergie cinétique de rotation est reconvertie en pression. Cette turbine peut également servir à impulser la matière qui entre dans l'échangeur pour faciliter son entranement par le fluide. L'échangeur peut être le siège de réactions exo ou endothermiques il peut Entre intéressant, dans ce cas, d'apporter ou d'évacuer la chaleur de réaction au fur et à mesure de la réaction ; cela permet notamment d'éviter des variations de températures trop importantes qui peuvent être préjudiciables au bon fonctionnement (Ex : collages) ou à la bonne tenue de l'échangeur (Ex : chocs thermiques). Dans ce but des apports ou soutirages pourront être effectués dans l'échangeur à distance de l'axe correspondante à la localisation des réactions endo ou exothermiques qui accompagnent l'échange. Ainsi, un apport calorifique peut être obtenu par l'un ou l'autre des moyens suivants - injection de combustible si le comburant (air) est en excès dans l'échangeur - injection de comburant (air) si le combustible est en excès dans l'échangeur - injection simultanée de combustible et de comburant (air) si la charge de l'échangeur est inerte - injection d'un fluide caloporteur - apport de chaleur sans matière (Ex : chauffage électrique) L'échangeur pourra comporter plusieurs dispositifs d'apport ou de soutirage de chaleur fixes à différentes distances de l'axe ou à distance variable de l'axe ; ces dispositifs pourront être pilotés par une régulation qui assure la stabilité d'un profil de température dans l'échangeur. - La figure 1 représente en coupe la vue de face d'un échangeur selon l'invention. - La figure 2 représente la vue de dessus de cet échangeur. Cet échangeur comporte - une enveloppe cylindro conique (1) de révolution autour d'un axe vertical - une buse d'injection du fluide (2) - une jupe de sortie du fluide (3) à l'extrémité supérieure de l'axe - une trémie d'alimentation matière (4) avec son ouverture d'extraction annulaire (5) - un orifice de sortie matière (6) à l'extrémité inférieure de l'axe. Les figures 3 et 4 représentent, en élévation et en plan, un échangeur de ce type pourvu d'un disque de séparation (7), d'une turbine de récupération d'énergie (8) à la sortie du fluide et d'une injection de chaleur (9) dans l'échangeur. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné au traitement thermique de matières pulvérulentes par contact direct avec un fluide, notamment dans la fabrication de la chaux, du ciment, des réfractaires et dans la préparation des minerais. Il est également destiné à la mise en solution d'une substance contenue dans une matière finement divisée, notamment pour l'extraction du sucre de betterave par l'eau (diffusion). Certains éléments du dispositif tels que le disque séparateur et la turbine de récupération d'énergie constituent des améliorations au fonctionnement du cyclone dans toutes ses applications (séparation granulométrique, épaississement...). REVENDICATIONS 1) Dispositif permettant de réaliser un échange méthodique de substance ou de chaleur entre un fluide et une matière finement divisée en suspension dans ce fluide, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe de révolution (1) autour d'un axe . une injection de fluide (2) à la distance maximale de l'axe - avec une vitesse initiale - ayant une composante de rotation autour de cet axe. A A une extrémité de l'axe upe entrée matière annulaire (5), et une sortie de fluide circulaire (3), coaxialesl la premiere étant extérieure à la seconde. . A l'autre extrémité de l'axe, une sortie matière (6). 2) Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que la séparation du fluide et de la matière à la sortie de l'échangeur est améliorée par un disque coaxial (7) réglable en position sur l'axe. Le diamètre de ce disque étant compris entre celui des orifices de sortie du fluide et de matière. 3) Dispositif selon revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'énergie cinétique de rotation du fluide, avant sa sortie de l'échangeur, est récupérée par un rotor coaxial muni de pales radiales. Ce rotor transforme le vortex libre en vortex forcé et permet ainsi de sortir le fluide avec une pression qui limite la perte de charge de l'échangeur. 4) Dispositif selon revendication 3 caractérise en ce que le rotor fournit à la matière entrant dans l'échangeur une impulsion de vitesse qui facilite son entraînement par le fluide. 5) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que des apports ou soutirages de chaleur et/ou de matière sont effectués dans l'échangeur pour répondre localement aux besoins endo ou exothermiques des réactions qui accompagnent l'échange.