Brevet FR2554738A1 — publié le 19850517

Mélangeur à tourbillon et procédé pour mélanger un courant de fluide avec un second courant de fluide sous basse pression Le brevet US nQ 4 333 499 délivré le 8 juin 1982, ayant pour titre 'tPressure Dissipation Apparatusw, au nom de Jeffrey L. Beck et William T. Sweeney, décrit un vortex ou tourbillon d'entrée tangentielIe-à haute pression et sortie axiale. Les fluides entrant dans la chambre de tour- billon sont amenés à passer d'une faible vitesse sous haute pression à une vitesse élevée sous faible pression lorsqu'ils sortent par la sortie axiale. Une tubulure est prévue dans ce dispositif pour diminuer la vitesse de rotation élevée des fluides lorsqu'ils quittent la sortie axiale. La demande de brevet US 439 67I déposée le 8 novembre 1982, intitulée "Multipoint Slurry Injection Junction", au nom de Ahmed El-Saie, décrit une structure conique com- portant des entrées tangentielles qui sont inclinées par rapport à l'axe de la structure conique. La boue entre dans la structure conique et se mélange avec un fluide en rotation lors de sa sortie de la structure conique. La demande décrit un moyen pour mélanger un fluide tel que de l'eau ou une boue avec un courant entrant, qui peut également contenir de l'eau, une boue ou des solides. L'appareil est relative- ment grand et, en conséquence, est coûteux à fabriquer et exige un espace approprié pour son installation. La présente invention enseigne une autre manière de mélanger des solides ou des fluides tels qu'une boue avec un courant entrant, et réalise ceci à l'aide d'un extracteur à. tourbillon. Les extracteurs sont communément utilisés pour mélanger des solides avec des courants à grande vitesse, puis pour convertir la vitesse, qui est de l'énergie cinétique, en une pression, qui est de l'énergie potentielle; cepen- dant, ces appareils nécessitent un étranglement dans la con- duite à haute vitesse. Un tel étranglement n'autorisera - 2- pas le passage de courants de fluide contenant de grosses particules, tels que les schlamms ou boues de charbon. La présente invention, au contraire, ne comporte aucun étranglement dans le courant d'entrée et, de ce fait, de grosses particules ou matières particulaires pourront - être incluses dans le courant d'entrée sans danger d'obs- truction ou d'érosion importante de la partie d'entrée du mélangeur. Le mélangeur comprend principalement une chambre de tourbillon comportant une entrée tangentielle à haute pression et une sortie axiale. Le fluide ou la boue entrant par l'entrée tangentielle aura généralement une haute pression et une faible vitesse. Lorsque la boue sort par la sortie axiale, elle sera convertie en un fluide à pression moyenne et à vitesse élevée. Une seconde entrée axiale permet l'injection dans le tourbillon d'un fluide ou d'un solide à basse pression provenant d'une autre source. Un dispositif ante-vide est prévu dans le cas o la chambre de tourbillon développe une pression inférieure à la pression atmosphérique, afin d'empêcher la cavitation à l'intérieur de la chambre. - Plus spécifiquement, un premier aspect de l'invention porte sur un mélangeur à tourbillon qui se caractérise essentiellement en ce-qu'il comprend: (a) une chambre sensiblement cylindrique comportant une paroi périphérique et des parois d'extrémité; (b) une entree tangentielle traversant ladite paroi périphérique; (c) une entrée axiale traversant l'une desdites parois d'extrémité, et (d) une sortie traversant l'autre paroi-d'extrémité, ce gràce à quoi du fluide sous haute pression entrant par ladite entrée tangentielle forme un tourbillon de fluide à l'intérieur de ladite chambre, ce fluide sortant de la chambre à travers ladite sortie axiale, et la matière entrant par ladite entrée axiale se mélangeant avec le - 3 - fluide dans le tourbillon et sortant par ladite sortie accompagné du fluide provenant de l'entrée tangentielle. Un second aspect de l'invention porte sur un procédé pour mélanger un courant de fluide avec un courant sous basse pression, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à. (a) former un tourbillon à l'aide d'un fluide sous haute pression, ledit tourbillon comportant un axe de rotation à basse pression; (b) retirer le fluide du tourbillon en formant une en- veloppe de fluide en rotation comportant un noyau creux; (c) injecter axialement dans le noyau creux ledit second courant; ce grâce à quoi le second courant se mélange avec la première matière injectée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit donnée à titre d'exemple et faite en référence au dessin annexes, sur lequel: la fig. 1 est une vue en perspective du mélangeur à_tourbillon, une partie de la chambre étant partiellement arrachée, illustrant la sortie et la rotation des fluides lorsqu'ils quittent la sortie axiale, et la fig. 2 est une vue de côté du mélangeur repré- senté sur la fig. 1, qui comporte également une partie arrachée, illustrant la répartition des fluides à l'inté- rieur de la chambre de tourbillon et de la sortie. En référence à l'ensemble des figures et en parti- culier à la fig. 1, une chambre de tourbillon, globalement désignée par la flèche 10, comporte une paroi d'extrémité 11, une paroi latérale 12 et une seconde paroi latérale 13. Une entree tangentielle à haute pression 14 est mon- tée de manière à s'ouvrir dans la chambre 10. Une sortie axiale 15 est montée sur la paroi latérale 13 de manière à déboucher dans la chambre 10. Une entree axiale 16 est montée dans la paroi latérale 12 et s'étend dans la chambre - 4 - 10. L'entrée axiale 16 comporte un dispositif anti- vide, indiqué par la flèche 17, destiné à permettre à l'air d'entrer à l'intérieur de la chambre 10, comme indiqué par la flèche 21, dans le cas ou la pression dans la chambre devient inférieure à la pression atmosphérique. Un tel agencement empêche la cavitation à l'intérieur de la chambre 10. Une vanne 18 contrôle l'écoulement de fluide d'un tuyau d'entrée 19 vers l'entrée 16. Le tuyau d'entrée 16 comporte un prolongement 20 dans la chambre 10, à des fins qui seront explicitées dans la partie de la description relative au fonctionnement. Le mélangeur à tourbillon fonctionne de la manière suivante. Les fluides sous haute pression pénètrent dans le sens de la flèche 22 dans l'entrée tangentielle à haute pression 14. Les fluides passent alors dans la chambre 10 et tournent à grande vitesse le long de la paroi extérieure de la chambre 10. La vitesse de rotation amène la matière ou les fluides à s'écouler dans le sens de la flèche 23 pour créer une région de tourbillon 29 entre le prolonge- ment de tuyau 20 et le tuyau de sortie axiale 15. La matière entrant dans l'orifice de sortie 24 est alors en rotation à une vitesse extrêmememnt élevée et à une pression très faible. Elle va donc continuer à tourner le long du tuyau 15, comme illustré par la flèche 25. Le fluide ou les solides peuvent être injectés dans le sens de la flèche 26 dans le tuyau 19 à travers la vanne 18 et dans le tuyau d'entrée axiale 16 qui débouche dans la chambre 10. Les fluides seront alors injectés dans la chambre 10 à une pression légèrement supérieure à celle qui règne dans le tourbillon 29 ou centre de la chambre 10. Cette matière passera alors vers l'orifice de sor- tie 24 de la sortie axiale 15, o elle sera mélangée avec les fluides en rotation et éjectée par la sortie axiale à moyenne pression 15. En se reportant à la fig. 2, on peut observer plus -5 - en détail la répartition des fluides. Dans la chambre 10 vont circuler des fluides qui ont été injectés dans celle-ci dans le sens de la flèche 22. Lorsqu'ils entrent dans la chambre de tourbillon 10, les fluides tournent autour de la chambre 10. Les fluides entrent dans la cham- bre 10 sous haute pression et à faible vitesse, et sortent sous basse pression et à haute vitesse. Alors que la vitesse diminue dans la partie aval de la sortie 15, il existe une récupération partielle de la pression, de sorte que le fluide est sous moyenne pression et à faible vitesse. Le fluide ou la boue tendra à former un tourbillon entre l'ex- trémité du prolongement de tuyau 20 et à s'écouler sensible- ment à travers l'orifice 24 pour entrer dans le tuyau de sortie axiale 15. Le tourbillon 29 peut alors recevoir l'en- trée du tuyau 16, dans le sens de la flèche 28 entrant dans le tourbillon 29. Dans le cas o le tuyau 16 est trop grand par rapport au diamètre intérieur du tuyau 15, il est possible que le tourbillon tende à se former également à l'intérieur du tuyau 16, pour provoquer un écoulement de fluide en sens inverse le long du tuyau 16. Si une telle situation apparaît, les diamètres du tuyau 16 et du tuyau 15 doivent être ajustés (ou bien le tuyau 16 étant rendu plus petit, ou bien le tuyau 15 étant rendu plus grand) afin d'empêcher le reflux des fluides. Le prolongement 20 devra s'étendre aussi loin que possible dans la chambre 10, afin de contribuer à empêcher le reflux de fluide; cependant, il ne devra pas s'étendre trop loin pour que la dimension entre l'extrémité du prolon- gement 20 du tuyau et l'orifice 24 ne soit pas inférieure au diamètre des particules solides injectées par l'entrée tangentielle 14. Les fluides seront alors éjectés du tuyau 16 dans le sens de la flèche 28 pour entrer dans le tour- billon formé au niveau de l'orifice 24 de la sortie axiale 15. A cet endroit, les fluides seront mélangés avec un fluide à vitesse de rotation élevée dans la sortie 15. - 6 - La matière entrant par l'entrée tangentielle 14 et la ma- tière entrant par l'entrée axiale 16 sortiront par le tuyau dans le sens de la flèche 30. Il faut noter que le tuyau d'entrée 16 devra être d'un diamètre inférieur à celui du tuyau de sortie axiale 15. En fait, le diamètre du tuyau axial 15 devra être tel qu'il puisse accepter les écoulements provenant à la fois des tuyaux d'entrée 14 et 16. Si l'air entraîné à l'intérieur du tourbillon vient à créer un pro- blème en un point quelconque en aval de la sortie axiale 15, un agent tensio-actif pourra alors être ajouté par l'entrée 31 à partir d'une source 32 et sera mélangé avec la matière entrant à l'intérieur de la chambre de tourbillon 10. Un tel agent tensio-actif provoquera le mouillage de la matière à l'intérieur de la sortie 15 et le développement en mousse de celle-ci, pour ainsi produire un mélange plus uniforme en aval de la sortie axiale 15. L'agent tensio-actif devra être un agent tensio-actif non ionique ayant l'une des compositions suivantes: 1) alcool éthoxylé comportant une chaîne alcoyle comprise entre C10O et C18, avec un taux d'éthoxylation compris entre et 80 pour-cent; - 2)éthoxylate de alcoyle-phénol comportant une chaine alcoyle de 8 à 9 carbones et un taux d'éthoxylation compris entre 30 et 80 pour-cent; ou 3) copolymères séquences (copolymères block) de polyoxy- propylène et de polyoxyéthylène. Il est bien entendu que des variantes ou modifications pourront être apportées à l'appareil décrit ci-dessus sans sortir de la portée de l'invention. - 7 - REVENDICATIONS 1.- Mélangeur à tourbillon, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une chambre sensiblement cylindrique (10) comportant une paroi périphérique (11) et des parois d'extrémité (12,13); (b) une entrée tangentielle (14) traversant ladite paroi périphérique; (c) une entrée axiale (16) traversant l'une (12) desdites parois d'extrémité; et (d) une sortie (15) traversant l'autre paroi d'extrémité (13), ce grâce à quoi du fluide sous haute pression entrant par ladite entrée tangentielle forme un tourbillon de fluide (29) à l'intérieur de ladite chambre, ce fluide sortant de la chambre a travers ladite sortie axiale (15), et la matière entrant par ladite entrée axiale (16) se mélangeant avec le fluide-dans le tourbillon et sortant par ladite sortie accompagnédu fluide provenant de l'entrée tangen- tielle (14). 2.- Mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une valve (18) en série avec ladite entrée axiale (16). 3.- Mélangeur selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce qu'il comprend un dispositif anti-vide sur ladite entrée axiale. 4.- Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sortie (15) présente une section transversale de surface supérieure à celle de l'en- trée axiale (16). 5.- Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un agent tensio-actif non ionique est ajouté à la matière entrant dans la chambre sensiblement cylindrique (10). 6.- Procédé pour mélanger un courant de fluide avec un second courant sous basse pression, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: - 8 - (a) former un tourbillon (29) à l'aide d'un fluide sous haute pression, ledit tourbillon comportant un axe de rotation à basse pression; (b) retirer le fluide du tourbillon en formant une enveloppe de fluide en rotation comportant un noyau creux; (c) injecter axialement dans le noyau creux ledit second courant; ce grâce à quoi le second courant se mélange avec la première matière injectée. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que de l'air est injecté dans le second courant avant l'injection de ce dernier. 8.- Procédé selon la revendication 6 ou 7, carac- térisé en ce que le second courant comprend des solides secs. 9.-Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'un agent tensio-actif non ionique est ajouté au second courant.