Brevet FR2602984A1 — publié le 19880226

La présente invention concerne des dispositifs d'obtention de différentes émulsions, suspensions et putes a haute concentration et plus particulièrement un mélangeur-disperseur à rotor fonctionnant en continu qui peut titre utilisé pour fabriquer des me- langes finement dispersés de liquides reciproquement insolubles, pour disperser une phase solide dans un li- quide, pour homogénéiser et disperser les composants des substances pateuses et visqueuses. Les différents types de mélangeurs a rotor existants sont destinés soit au traitement des composants liquides ou des suspensions, soit des substances visqueuses ou pateuses. Ceci exige une grande variété de construction des mélangeurs à rotor destinés au traitement de substances déterminées. Les entreprises de production dont le programme de procédé technologique intermédiaire prévoit un traitement de différentes substances depuis les substances liquides jusqu'aux substances payeuses par lequel elles produisent des substances finies sous:des formes identiques doivent posséder un équipement diversifié destiné au traitement des différentes substances liquides et pateuses et un service développé pour sa réparation et son entretien.Ainsi, par exemple, dans le bâtiment, aux différentes étapes de travail, on doit traiter différentes substances : disperser les inclusions solides dans les liquides et les pates (mastics a émulsion aqueuse hydroisolantes, bouchepores, colles, etc.) obtenir des mélanges de substances liquides réciproquement insolubles (mélanges eau-huile a rapports différents, solutions de graissage et d'imprégnation, différentes émulsions liquides pour les travaux de finition), préparer, au besoin, les solutions de peinture a émulsion aqueuse, les mortiers et les badigeons aqueux, remettre en bon état les différents mélanges a émulsion aqueuse et de peinture. Donc, dans la technique connue, il faut un appareil particulier pour cha que opération mentionnée ci-desus. Malgré la diversité constructive des mélan- geurs a rotor existants et destinés au traitement de telles ou telles substances, ils comportent tous un stator avec tubulures d'entrée et de sortie et un rotor placé concentriquement dans le stator. Le rotor, en fonction des paramètres physiques des composants initiaux (viscosité, granulométrie des inclusions so- lides et leur résistance au choc? et du degré voulu de traitement des substances, est muni de différents outils réalisant tel ou tel procédé de traitement. Ainsi, il existe un mélangeur a rotor fonctionnant en continu (cf., par exemple, certificat d'auteur U.R.S.S. NQ 1011219 IC1 BOlF 7/00) destiné au traitement des composants liquides qui est muni d'outils sous forme de pales d'hélice avec cloisons transversales, coté courant d'arrivée de la substance a traiter. Une;telle exécution des outils est imposée par le mécanisme bien connu de formation des émulsions (V.M. Ivanov, B.B. Kantorovich, Emulsions et suspensions combustibles, pp. 54-55, Metallourgizdat, 1963). Pour le traitement des composants liquides difficilement solubles et l'obtention des émulsions a partir de ces composants, on utilise un dispositif (cf., par exemple, certificat d'auteur U.R.S.S. NO 701681, IC1. BOIF 7/28) ot les outils se présentent sous la forme de dents longitudinales. Lors de leur déplacement, elles provoquent des cavitations dans le milieu a traiter, ce qui permet de traiter les liquides. Les dispositifs destinés au traitement de mélanges liquide-corps solides en proportions diffé- rentes comportent des outils réalisés sous la forme de disques a configuration géométrique de surface dif- férente. Les disques tournant a grande vitesse créent a la limite de contact avec la substance a traiter de fortes contraintes tangentielles ce qui, comme il est connu, entrain la dispersion des inclusions solides dans les liquides (cf., livre par F. Strenk, mélange et appareils avec agitateurs, pp. 65-66, 72-73, Khimia, 1975). Les outils des appareils destinés a homo généiser les composants fortement pâteux et visqueux se présentent sous la forme de vis d'Archimède et a ruban ou d'eléments longitudinaux en coin. Une telle réalisation des outils permet de créer dans le milieu a traiter des contraintes tangentielles de cisaillement et des efforts de coupe en permettant d'obtenir une bonne homogénéité du milieu. Ainsi, le processus de formation des émul- sions, la dispersion de la phase solide dans les liquides (suspension), l'homogénéisation des substances visqueuses et pâteuses, comptè tenu des principes physiques différents de traitement se font a l'aide des divers outils et, par conséquent, dans des mélangeurs a rotor de construction différente. Le but de l'invention est de créer un melan- geur-disperseur a rotor fonctionnant en continu avec une réalisation en ce qui concerne la construction des outils (pales d'hélice du rotor) telle qu'un seul mélangeur-disperseur puisse tre utilisé pour le traitement de différentes substances depuis les substances liquides jusqu'aux substances péteuses. Ce but est obtenu du fait que dans le mélangeur-disperseur a rotor fonctionnant en continu qui comporte un stator avec tubulures d'entrée-et de sortie at placé concentriquement dans celui-ci un rotor avec des pales d'hélice et un aubage de pompe, confor mément a l'invention, chaque pale est formée par des saillies trapézordales de deux types alternant suivant la longueur de la pale et disposées avec un espacement l'une par rapport ê l'autre, alors que la hauteur de chaque saillie d'un type et sa largeur au sommet dépas sent la hauteur de chaque saillie de Itautre type et sa largeur au sommet. Une telle exEcution des pales dlhelice permet de réaliser le processus de traitement des substances tout en les transportant le long de la partie dé- coulement du mélangeur entre la tubulure d'entrée et celle de sortie. Outre celA, dans tout le volume de la substance a traiter se trouvant dans la partie d'tout lement du mélangeur se trouvent créées des conditions de formation des courants de circulation tournants & différents niveaux de tourbillonnement ; dtallongement du milieu liquide a disperser en files de longueur cri- tique en utilisant les principes de formation des émul- sions y compris les principes bien connus ;; d'obtention, conformement au principe connu, de contraintes tangentielles considérables et d'efforts de cisaillez ment dans les substances visqueuses et pateuses ê traiter tant a l'intérieur de leurs structures que sur les surfaces de contact des saillies du rotor avec la surface interne du stator. La hauteur différente des sa lies des deux types cree des conditions d'apparition de cavitations dans les composants liquides, ce qui aide également a l'intensification des processus de dispersion et, dans les substances payeuses, a la production d'efforts de cisaillement notables. Ainsi, ltexé cution proposée des pales d'hélice permet de traiter les différentes substances (dans toute la gamme, depuis les liquides jusqu'aux pètes) en réalisant, en fonction du genre de la substance a traiter, différents principes de traitement. Les saillies du type ayant la hauteur et la largeur plus faibles peuvent titre réalisées avec une épaisseur plus grande que celle des saillies de l'autre type. Par conséquent, les saillies réalisent dif férentes fonctions. Une saillie plus large crée par sa surface, côté courant d'arrivée, un tourbillon du mi lieu a traiter en formant des courants de circulation tournant dans le sens transversal et aide a transporter le produit. traité le long de l'appareil et a transmettre au milieu à traiter le nombre nécessaire de mouvements conformément al'équation connue d'Euler. Outre cela, lesdites surfaces (surface de la saillie plus large) créent un champ considérable de forces centrifuges dans l'espace occupé par les pales de la partie d'écoulement de l'appareil.Tous les courants apparus aident, en fonction de la viscosité du milieu a traiter, a créer dans son volume une micro- et macroturbulence développée, la cavitation, des contraintes de cisaillement spaciales (tangentielles) ce qui influe notablement sur l'efficacité et l'intensité du traitement de telles ou telles substances. Les saillies des pales a plus grandes hauteur et largeur peuvent présenter, côté surface utile de la pale, une forme de coin. Les coins dissèquent le courant de substances liquides ou péteuses et les dirigent dans les jeux formés entre les différentes saillies où, lors de la rotation du totor, apparaissent de forts gradients de contraintes tangentielles et un champ de forces centrifuges. Outre cela, une telle forme des arêtes, sous l'effet des actions de choc et de cisaillement dues a la rotation du rotor, détruit la structure des inclusions des phases solide et liquide dans le milieu a traiter. I1 est raisonnable de réaliser chaque pale en diminuant sa hauteur dans le sens du mouvement de la substance a traiter, ce qui permet d'augmenter la vitesse d'intensification des processus de dispersion et d'homogénéisation au fur et à mesure de la progression du milieu a traiter dans la partie d'écoulement de l'appareil entre les tubulures d'entrée et de sortie. Le rotor du disperseur, entre l'outil d'hélice et l'aubage de pompe, peut présenter une membrane avec ouvertures de décharge se trouvant entre les pales voisines ce qui permet de régler le temps de con tact du milieu a traiter avec les outils du rotor en assurant ainsi le degré donne de traitement de telle ou telle substance. L'invention ressortira de la description ultérieure d'un exemple d'exécution du mélangeur-dis- perseur ê rotor fonctionnant en continu, objet de l'invention, en regard des dessins annexés non limitatifs dans lesquels - la Figure 1 représente un mélangeur-disper- seur å rotor en coupe longitudinale - la Figure 2 représente la coupe Il-Il de la Figure 1 ; - la Figure 3 représente une vue d'ensemble du rotor avec des pales représentées de façon conventionnelle - la Figure 4 représente un tronçon de la pale agrandi. Le mélangeur-disperseur a rotor fonctionnant en continu comporte un stator 1 (Figures 1, 2) avec des tubulures d'entrée 2 et de sortie 3, une cavité de refroidissement 4, des couvercles d'embout 5, des tubulures 6 d'entrée et de sortie du milieu de refroidissement et un rotor 7 qui porte plusieurs pales d'hélice 8 (Figure 3) et un aubage de pompe 9 disposé sous la tubulure de sortie 3 (Figure 1). Le rotor 7 est calé sur l'arbre d'entrainement 10. Chaque pale d'hélice 8 est formée par des saillies trapézoidales 11 et 12 de deux types A et B respectivement alternant suivant la longueur de la pale comme le montre la Figure 1. Les saillies 11 et 12 ont entre elles un espacement 13. La hauteur h (Figure 4) et la largeur q du sommet des saillies 11 de type A sont supérieures ê la hauteur hl et à la largeur al du sommet des saillies 12 de type B. L'épaisseur bl des saillies 12 de type B est supérieure ê l'épaisseur b des saillies 11 de type A. Les saillies 11 de type A ont, du c & é de la surface utile de la pale 8 (autrement dit, du8bté dirigé vers le milieu å traiter arriv;nt) une forme en coin, comme le montre la Figure 4, La différence des paramètres géométr;lques et de la configuration des saillies 11 et 12, ainsi que la présence des jeux entre elles permettent de diviser le courant total en filets dans tout le yo- lume de la substance a traiter se trouvant dans la partie d'écoulement de l'appareil, et d'y créer des conditions de formation d'émulsions, de suspensions et d'homogéinisation du milieu. Chaque pale 8, dans le sens de la propagation du milieu, diminue en hauteur, comme le montre la Figure 1, ce qui peut être obtenu par un accroissement régulier du diamètre du rotor 7 dans le sens allant vers l'aubage de pompe 9, alors que le diame- tre extérieur des pales 8 reste constant. Le rotor 7 porte, en aval des pales d'hé- lice 8 une membrane 14 avec des ouvertures de décharge 15 intercalées entre les pales voisines. Les saillies 11 et 12 de types A et B formant la pale 8 sont placées de façon que leurs faces latérales, côté opposé au courant d'arrivée, se trouvent sur une même ligne C-C, comme le montre la Figure 2, ce qui permet de créer en aval de la pale 8 une zone de dépression permettant l'apparition dans cette zone de phénomènes de cavitation. Gracie ê la forme décrite des saillies 12 (Figure 1 > et 11, entre les sommets de ces saillies et la surface interne du stator se forment respectivement des espaces 16 et 17 a sections de passage différente qui forment un canal d'écoulement 18 a gradins, comme le montre la Figure 2. On notera qu'en amont de la saillie 12, gr - ce à sa plus grande épaisseur, se forme une cavité 19 limitée latéralement par les saillies 11. Le mélangeur-disperseur a rotor a fonctionnement continu fonctionne de la façon suivante. Le milieu à traiter (liquide avec phase so xide ou liquide-lXquide) est envoyé par la tubulure d'entrée 2 (Figure 1) dans la partie d'écoulement du disperseur et la remplit. L'arbre 10 met en rotation le rotor 7 avec les pales de service 8. Sous l'action des saillies tournantes 11 et 12 des pales, -le milieu a traiter, soumis a l'action des forces centrifuges, se propage dans les espaces limités par les saillies 11 et 12 et dans les espaces 13 entre ces saillies dans la direction de la partie périphérique des pales. Lors de leur mouvement, les composants du milieu liquide a disperser s'allongent en filets et se fractionnent. En même temps, le milieu à traiter est dirigé par les arêtes aigües des aaillies 11 dans les espaces 13 entre les saillies 11 et 12 où il se trouve pris dans un champ d'accélération intense qui croit avec la vitesse circonférencielle du rotor. Durant le mouvement, les composants à traiter réciproquement insolubles sont soumis aux forts gradients de vitesses dans la partie transversale de leur mouvement dans les espaces 13, 16 et 17. Ceci provoque un frottement entre les filets et un frottement intense entre le milieu dans les cavités 19 et les espaces 13. Le frottement entre les filets et le frottement du courant contre les saillies 11 et 12 des pales. 8 provoquent la fragmentation de la phase solide dans le liquide, l'allongement de la masse à disperser des liquides réciproquement insolubles jusqu'a une longueur a laquelle il y a un autofractionnement des éléments du liquide. Au moment du décrochage des pales 8, le milieu à traiter supporte une déformation de choc sur la surface interne du stator 1 ce qui aide a la fragmentation ultérieure de la substance. Au point dlim- pact, apparat une turbulence fortement développée compte tenu des changements brusques de direction et des valeurs de la vitesse. Dans ce domaine, le couw rant est animé d'un mouvement spatial absolu et relatif. La plus grande partie de la substance a traiter subit une torsion en courants de circulation transversaux relatifs, à cause de l'action des surfaces des saillies 12 ot continue le processus de fragmentation par suite du frottement entre les particuw les, alors qu'une partie de la substance est refoulée dans les jeux 16 et 17 entre le stator 1 et le rotor 7. Après cela, le milieu a traiterlarrive dans la zone de cavitation de l'autre coté de la pale de service oA il est soumis aux actions de turbulence et de cavitation, ce qui améliore l'intensité de dispersion et d'homogénéisation.Les courants de circulation formés sont en interaction (en frottement), tant a 1 'inté- rieur de leur structure qu'entre eux, ainsi qu'entre eux et les surfaces des saillies 11 et 12 des pales 8 du rotor 7 et la surface interne du stator 1. L'intéraction des différents courants du milieu a traiter se fait dans le pan de rotation du rotor et le long de la partie d'écoulement du disperseur. En mouvement le long du rotor 7, le milieu subit successivement un traitement de fragmentation dans chaque cavité 19, dans le canal d'écoulement 18 en gradins et dans les espaces 13.Comme le diamètre du rotor augmente progressivement, cect permet, suivant la longueur de la partie d'écoulement, d'élever l'intensité de fragmentation, puisque la diminution de la hauteur de la pale 8 fait augmenter la vitesse du milieu a traiter a l'entrée de chaque cavité 19, la vitesse de rotation du moteur de commande étant la même. Dans ce cas, se créent des conditions de dispersion progressive de la substance durant sa progression dans la partie d'écoulement de l'appareil. La membrane 14 avec les ouvertures de décharge 15 détermine le temps de séjour de la substance a traiter dans la zone d'action active des outils, c'est-à-dire dans la zone de traitement de la substance. Ensuite, le milieu traité a paramètres physico-chimiques donnés arrive sur l'aubage de pompe 9 qui crée une charge dans la tubulure de sortie 3, le produit arrivant au consommateur. Le processus de dispersion et d'homogénéi- sation se produit dans l'appareil avec un fort dégagement d'énergie calorifique. Afin d'évacuer la chaleur et d'assur'rune température normale du processus de dispersion de la substance, on envoie dans la cavité 4 du stator et on évacue par les tubulures 6, un milieu de refroidissement. Le dispositif revendiqué est simple a fabriquer et entretenir, il est fiable et économique. SQn utilisation permet d'obtenir des mélanges finement disperses de haute qualité. REVENDICATIONS 1. Mélangeur-disperseur ê rotor fonction nant en continu qui comporte un stator (1) avec des tubulures d'entrée (2) et de sortie (3) et placé concentriquement dans ce stator, un rotor (7) avec des pales d'hélice (8) et un aubage de pompe (9), caractérisé par le fait que chaque pale (8) est formée par des saillies trapezoidales (11 et 12) de deux types respectivement (A et B) alternant suivant la longueur de la pale (8) et disposées l'une par rapport à l'autre, avec un espacement (13), alors que la hauteur (h) de chaque saillie (11) de type (A) et sa largeur (a) du sommet sont supérieurs a la hauteur (hl) de chaque saillie (12) de type (B) et a sa largeur (al) du sommet. 2. Mélangeur-disperseur a rotor, conformément a la revendication 1, caractérisé par le fait que les saillies (12) de type (B) ont une plus grande épaisseur (b1) que I'épaisseur (b) des saillies (11) de type (A). 3. Mélangeur-disperseur à rotor, conformé- ment aux revendications 1 et 2, caractérise par le fait que les saillies (11) de type (A) ont, du ct8 de la surface active de la pale (8), une forme en coin. 4. Mélangeur-disperseur à rotor, conformément aux revendication 1 a 3, caractérisé par le fait que chaque pale (8) diminue progressivement en hauteur dans le sens de la propagation du milieu a traiter 5. Mélangeur-disperseur à rotor, conformément aux revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'en aval des pales d'hélice (8), -le rotor (7) porte, en amont de l'aubage de pompe (9), une membrane (14) avec des ouvertures de décharge (15) intercalées entre les pales (8? voisines.