Brevet FR2562439A1 — publié le 19851011

-1 - La présente invention concerne un appareil pour le mélange rapide de deux fluides, applicable en particulier en traitement des eaux pour réaliser l'injection et le mélange "en ligne" de l'eau à traiter et de réactifs tels que par exemple polymères, acides, bases, etc... ou pour effectuer des opérations plus complexes comme la coagulation. En traitement des eaux il est souvent nécessaire d'injecter dans l'eau à traiter et de mélanger à cette eau des solutions concentrées de réactifs, le débit de la solution injectée étant faible par rapport au débit d'eau à traiter, souvent inférieur à 1 %. Divers appareils ont déjà été décrits qui permettent de réaliser ce mélange en ligne: cannes d'injection, systèmes à chicanes ou à ailettes, éjecteurs, etc... Ces différents systèmes présentent des inconvénients: ainsi, lorsqu'on utilise des cannes d'injection ou des systèmes combinant cannes et diaphragmes, le mélange s'effectue sur une grande longueur de tuyauterie, égale de 3 à 100 fois le diamètre de ladite tuyauterie, pour une qualité de mélange médiocre; lorsque l'on utilise des systèmes à ailettes, chicanes ou lamelles ou un éjecteur, la qualité du mélange est plus ou moins bonne mais le mélange s'effectue sur une longueur de tuyauterie encore assez importante, égale de 2 à 6 fois le diamètre de ladite tuyauterie avec, en outre, des pertes de charge relativement élevées, allant de 1 à 7 m de colonne d'eau. En outre, aucun de ces systèmes ne permet de mélanger directement deux fluides quand le débit de l'un de ces fluides est très faible par rapport au débit de l'autre, par exemple inférieur à 0,01 %. La présente invention pallie ces inconvénients en permettant notamment de réaliser à la fois un mélange instantané et homogène de solutions concentrées de réactifs, injectées à faible débit par rapport au débit d'eau à traiter, avec une perte de charge relativement faible pour un gradient de vitesse très important, celui-ci étant défini comme la racine carrée du quotient de la puissance dissipée dans le fluide et du produit du volume de la zone de mélange par la viscosité du fluide. L'appareil suivant l'invention destiné à effectuer le mélange rapide "en ligne" de deux fluides A et B est caractérisé en ce qu'il -2- comporte au moins une buse d'injection d'un fluide secondaire disposée dans la tuyauterie dans laquelle s'écoule le fluide primaire A, la buse étant munie d'un diaphragme agencé et dimensionné de façon à créer, à la sortie de la buse, un courant fluide orienté radialement permettant le mélange rapide des deux fluides dans un espace de dimension très réduite. Dans une disposition préférée de l'invention, le fluide secon- daire est constitué par un mélange (kA + B) d'une fraction k du fluide primaire A et du fluide B. Dans une autre disposition de l'invention, le fluide secondaire est constitué par le seul fluide B. Suivant une forme de réalisation de l'invention, le diaphragme consiste en une couronne disposée autour de la buse. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention le dia- phragme consiste en une plaque comportant des orifices et servant de support à la buse. Les divers caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront de la description qui va suivre de quelques unes de ses formes pos- sibles de réalisation données uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Au cours de cette description on se réfère au dessin ci-joint sur lequel les Fig. 1 et 2 sont des vues schématiques en coupe d'un appareil suivant l'invention, les Fig. 3 et 4 sont des vues en plan, dans deux formes de réalisation, du diaphragme dont est munie la buse d'injection. Dans une canalisation 1 s'écoule, suivant un certain débit, un fluide A auquel doit être mélangé un fluide B véhiculé par une cana- lisation 2 débouchant dans la canalisation 1. Conformément à l'invention, le fluide secondaire (B ou kA + B) est introduit dans une buse/disposée dans la canalisation 1, en vue de son mélange avec le fluide primaire A. La buse 3 est munie, à sa périphérie, également conformé- ment à l'invention, d'un diaphragme constitué, soit par une couronne 4 comme dans l'exemple traité à la Figure 3, soit par une plaque circu- laire 5 percée d'orifices 5a comme le montre la Figure 4, couronne et -3- plaque étant disposées autour de la buse. Dans le cas o le diaphragme consiste en une couronne, la distance d entre la surface externe de la buse, de diamètre D et le bord extérieur de la couronne est au moins égale à 0, 3 D. Dans le cas o le diaphragme consiste en une plaque perfo- rée, la distance d entre la surface externe de la buse de diamètre D et le bord tourné vers la buse, des orifices que comporte la plaque, est au moins égale à 0, 3 D, ceci quels que soient la forme et le nombre des orifices 5a. Il se crée, dans ces conditions, autour de la buse d'injection du fluide secondaire B ou kA + B dans le fluide primaire A, entre le dia- phragme et l'extrémité de la buse, une dépression redressant le cOne de diffusion du fluide secondaire B ou kA + B à la sortie de la buse, entraf- nant une diffusion radiale, représentée schématiquement en 6, du fluide secondaire B ou kA + B dans le fluide primaire A. Il se produit alors un mélange instantané des deux fluides. Ce mélange s'effectue, en outre, sur une longueur très faible, L de tuyauterie, égale à 10 à 20 % de la valeur du diarnmètre de cette tuyauterie. Grâce aux dispositions adoptées suivant l'invention, la diffusion radiale du fluide secondaire B ou kA + B dans le fluide primaire A est indépendante de la forme du diaphragme, de la perte de charge globale du système, du débit ou de la vitesse d'écoulement du fluide primaire A dans la tuyauterie 1. Du fait de la rapidité avec laquelle il se produit, le mélange s'effectue avec des gradients de vitesse importants pour des pertes de charge relativement faibles. Dans le cas, traité à la figure 1, o le fluide secondaire est constitué par un mélange kA + B d'une fraction k du fluide primaire A et du fluide B, c'est-à-dire o le débit du fluide B est relativement faible, mais au moins égal à 0, 0005 % du débit du fluide A, une tuyauterie 2 amène le fluide B à l'entrée de la buse, la buse étant ainsi traversée par le fluide B et une partie k, 1 à 15 % par exemple, du fluide A; la perte de charge de l'ensemble déterminant les débits relatifs des fluides A et B 25.62439 -4- à travers la buse. On obtient, dans ces conditions, un mélange en deux phases, la première s'effectuant dans la buse elle-même, la seconde, radialement comme décrit plus haut, à la sortie de la buse. Dans le cas o le fluide secondaire est constitué par le seul fluide B, c'est-à-dire o le débit du fluide B est relativement important, par exemple supérieur à 1 % par rapport à celui du fluide A, la buse 3 constitue, comme le montre la figure 2, l'extrémité de la tuyauterie 2 d'injection du fluide B, de façon à ce que tout le débit du fluide B, et seul ce débit, passe à travers la buse. L'exemple suivant montre l'excellence des résultats obtenus grâce à un appareil suivant l'invention. On a utilisé un appareil suivant l'invention pour mélanger un réactif B sous un débit de 75 1/h à un courant d'eau A s'écoulant dans une tuyauterie de diamètre égal à 142 mm sous un débit de 50 à 150 m3/h. 15. L'appareil comportait une buse de diamètre D égal à 54 mm munie d'un diaphragme en forme de couronne, la distance d entre la surface extérieure de la buse et le bord extérieur de la couronne, allant de 20 à 30 mnm. On a effectué le mélange du fluide B dans le fluide A en 0, 05 à 0, 15 seconde sur une longueur de tuyauterie de 2 cm, avec une perte de charge de 0,20 à 5 m etun gradient de vitesse à 20 C de 4 000 s1 à 35 000 s-1 Le mélange a donc été réalisé avec une remarquable rapi- dité, sur une longueur extrêmement réduite de tuyauterie, avec des pertes de charge relativement faibles pour un très important gradient de vitesse. -5- REVENDICATIONS 1. Appareil pour le mélange rapide "en ligne" de deux fluides: un fluide primaire (A) et un fluide (B) caractérisé en ce qu'il comporte au moins une buse (3) d'injection d'un fluide secondaire cons- titué par un mélange (kA + B) d'une fraction (k) du fluide primaire (A) et du fluide (B) ou par le seul fluide (B), cette buse étant disposée dans la tuyauterie (1) dans laquelle s'écoule le fluide primaire (A) et munie d'un diaphragme (4) agencé et dimensionné de telle sorte qu'il se crée, à la sortie de la buse, un courant fluidà6rienté radialement, permettant le mélange rapide des deux fluides dans une zone de dimensions très réduites. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme dont est munie la buse d'injection (3) consiste en une couronne (4) disposée autour de la buse. 3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme dont est munie la buse d'injection (3) consiste en une plaque (5) percée d'orifices (5a) et disposée autour de la buse. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la distance (d) entre la surface extérieure de la buse de diamètre D et le bord externe de la couronne constituant le diaphragme est au moins égale à 0, 3 D. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que la distance (d) entre la surface extérieure de la buse de diamètre D et le bord tourné vers la buse, des orifices (5a) que comporte la plaque perforée (5) constituant le diaphragme est au moins égale à 0, 3 D. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas o le débit du fluide (B) est relativement plus faible que celui du fluide (A), le fluide (B) est amené à l'entrée de la buse d'injection de ce fluide dans le fluide (A). - 6- 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas o le débit du fluide (B) est relativement important par rapport à celui du fluide (A), la buse d'injection du fluide (B) constitue l'extrémité de la tuyauterie (2) d'injec- tion du fluide (B) dans le fluide(A). 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange des deux fluides se produit dans une zone dont la longueur (L) s'établit entre 10 et 20 % du diamètre de la tuyauterie (1) dans laquelle s'écoule le fluide (A).