Brevet FR2614554A1 — publié le 19881104

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MELANGE STATIQUE COMBINANT UNE MISE EN MOUVEMENT HELICOSDAL DES CONSTITUANTS A UNE DEVIATION DES VEINES LIQUIDES ET UNE REDUCTION DE LA SECTION DE PASSAGE. L'invention se rapporte aux mélangeurs statiques et, en particulier, à ceux qui sont destinés, dans les industries alimentaires, au mélange de produits plus ou moins fluides ou visqueux et susceptibles de contenir des éléments solides, tels que morceaux de fruits, pulpes, fibres et autres. On connaît différents modes de fonctionnement des mélangeurs ou disperseurs statiques. Ces appareils sont bases sur les effets perturbateurs de la présence d'un obstacle sur le passage des constituants à mélanger. Ces effets peuvent consister, soit en fractionnements successifs de la veine en filets séparés, soit en une déviation des filets dans une direction non axiale, soit dans l'introduction d'une rotation des fluides, soit dans la création de turbulences par effet de sillage ou par écart de vitesse entre filets connexes. Les appareils industriels les plus connus sont constitués de modules placés en série. Dans le Static Mixer Kenics, chaque module, composé de cloisons diamétrales et hélicoldales de pas alternativement droite et gauche, effectue une rotation de 1800 et est calé à 900 du précédent. Lors de passages successifs, le liquide se divise au bord d'attaque de chaque mobule, d'où un fractionnement d'ordre 2n, n étant le nombre des modules. I1 y a en outre une mise en rotation de chaque veine dans le sens opposé au pas, d'où un brassage à chaque jonction entre deux modules. L'appareil ROSS LPD comporte un module composé de deux ailettes inclinées sur l'axe d'une tige centrale. Ces appareils exigent une constance parfaite du rapport des débits d'injection des constituants, sont de construction relativement complexe et mal adaptés au mélange de produits comportant des éléments solides. L'invention a pour objet un procédé de mélange statique exempt de ces inconvénients, combinant l'injection tangentielle des constituants à une extrémité de l'hélice d'une vis tubulaire, pour leur communiquer une rotation autour de l'axe de l'hélice et un déplacement hélicoïdal à la surface de celle-ci, à une réduction de la section de passage du pré-mélange ainsi obtenu et à des changements de direction des veines fluides en vue d'obtenir le mélange final. Suivant un mode d'exécution préféré, l'évacuation du mélange s'effectue, en sens inverse dudit déplacement, par le canal central de la vis tubulaire et ladite réduction de section et lesdits changements de direction sont obtenus dans l'espace de transition entre le trajet aller et le trajet retour du fluide, cet espace de transition étant délimité d'un côté par des portions de surface concaves. L'invention a encore pour objet un mélangeur statique caractérisé en ce qu'il comporte un corps cylindrique muni à une première extrémité d'entrées d'injection tangentielle des constituants à mélanger, une hélice tubulaire disposée à l'intérieur dudit corps sans contact avec sa paroi et coaxiale à celui-ci et formant du côté de ladite première extrémité une sortie axiale du mélange et d'un fond qui ferme ledit corps à sa deuxième extrémité et forme, en regard de l'extrémité correspondante de l'hélice, des surfaces concaves de renvoi des veines fluides vers le canal intérieur de l'hélice. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven tion, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé : Les figures 1 et 2 représentent un mélangeur statique conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention, respectivement en coupe suivant I-I de la figure 2 et II-II de la figure 1. Ce mélangeur comprend un corps cylindrique 1 muni à une première extrémité d'une entrée 2 du constituant principal du mélange et d'une entrée 3 d'un additif. Ce corps est fermé à son extrémité opposée par un fond 4 dont la surface intérieure forme une cavité semi-torique, dont la section dans un plan de symétrie représentée à la figure 1 est imposée de demi-cercles raccordés en 42. A sa première extrémité, à pas constant, le corps I est muni d'une sortie 5 du mélange, laquelle prolonge le canal interne d'une vis tubulaire à pas constant 6, disposée suivant l'axe XX' du corps, à l'intérieur de celui-ci, et dont une extrémité débouche en face de la pointe 42 formée par la cavité semitorique, tandis que l'autre extrémité est solidaire de la bride 51 qui forme le raccordement de sortie 52 du mélange. Les entrées 2 et 3 sont radiales et entourées de raccords 21 et 31. Les filets 61 de l'hélice de la vis ont un front avant 610 faiblement incliné par rapport à une direction perpendiculaire à l'axe XX', et un front arrière 611 fortement incli né, (il forme un angle de 600 par exemple avec ladite perpendiculaire). La bride 51 et le fond 4 sont amovibles, leur raccordement au corps 1 se faisant de préférence au moyen de colliers 7-8 formant clips. On notera que ce mode de fixation permet le démontage facile d'un mélangeur qui ne comporte que trois pièces, en vue d'enlever les morceaux qui pourraient obstruer le passage du mélange. Le passage des morceaux dans l'hélice est en outre facilité par l'arrondi 612 du filet. En fonctionnement, les deux constituants à mélanger sont injectés simultanément par des pompes raccordées aux entrées 2 et 3, tangentiellement par rapport à la vis, comme le montrent les trajets en tirets et en pointillés illustrés à la figure 2. Ils sont ainsi mis en rotation à vitesse relativement faible autour de l'axe de la vis et cette rotation continue au cours de leur mouvement hélicoldal qui les dirige vers la cavité semi-torique 41. L'injection des deux constituants se fait de préférence avec des débits qui restent dans un rapport constant entre eux du débit minimum au débit maximum. I1 se forme, lors de l'injection, des couches superposées de produits et le mouvement hélicoldal des flux fait glisser ces couches les unes par rapport aux autres, ce qui donne un pré-mélange. Ce glissement relatif des couches rend moins essentielle que dans certains mélangeurs statiques connus la constance du rapport des débits d'injection. Le mélange définitif s'obtient dans la cavité 41, qui joue, en coopération avec l'extrémité du canal de la vis, le rôle de concentrateur. Cet effet est obtenu grâce à la réduction progressive de section de passage liée à la forme du concentrateur (le rapport entre la section de passage dans la cavité torique et la section de passage à l'entrée du canal est par exemple compris entre 1,7 et 1,8), mais aussi, grâce au fait que les veines fluides sont déviées et subissent à la fois une inversion de leur flux et une différenciation des longueurs de leurs trajets respectifs : les couches les plus proches de l'axe XX' effectuent un trajet plus court que les couches les plus proches des parois du corps I, d'où un glissement relatif des couches. Le retour et l'évacuation centrale du mélange en sens inverse de sa progression autour de l'hélice au cours du prémélange, permettent de réduire la longueur de l'appareil. Le trajet est aussi dépourvu que possible de surfaces susceptibles d'accrocher et de retenir des éléments solides. Il n'y a pas création de turbulences et les pertes de charge sont très faibles ; la forme arrondie de la cavité 41 contrue, de même que l'arrondi des filets de l'hélice, à éviter les turbulences qui pourraient être nuisibles à des produits fragiles. On notera que l'un des constituants est injecté sur une portion du corps de l'hélice dépourvue de filets, donc facile à nettoyer. Les autres constituants seront, de préférence, injectés sur les parties inclinées des filets succes sifs, pour éviter toute retenue d'éléments solides. On injectera de préférence les différents constituants à des vitesses sensiblement égales, c'est-à-dire avec des sections des entrées respectives, inversement proportionnelles aux débits désirés, pour éviter que. les produits de plus faible débit ne sortent du mélangeur en proportions plus faibles que celles présentes pendant un temps de stabilisation du fonctionnement relativement long. I1 doit être bien compris que le mélangeur décrit pourra être agencé pour mélanger plus de deux constituants. Ceux-ci peuvent être fluides ou visqueux, avec ou sans morceaux. Les mélanges peuvent être effectués, soit en continu, soit dose par dose. Revendications 1. Procédé de mélange statique de produits liquides contenant éventuellement des éléments solides, caractérisé en ce qu'il combine l'injection tangentielle des constituants à une extrémité de l'hélice d'une vis tubulaire, pour leur communiquer une rotation autour de l'axe de l'hélice et un déplacement hélicoidal à la surface de celleci, à une réduction de la section de passage du pré-mélange ainsi obtenu et à des changements de direction des veines fluides en vue d'obtenir le mélange final. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évacuation du mélange s'effectue en sens inverse dudit déplacement par le canal central de la vis tubulaire et ladite réduction de section et lesdits changements de direction sont obtenus dans l'espace de transition entre le trajet aller et le trajet retour du fluide, cet espace de transition étant délimité d'un côté par des portions de surface concaves. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'injection des différents constituants s'effectue à des vitesses sensiblement égales entre elles. 4. Mélangeur statique appliquant le procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un corps cylindrique (1) muni à une première extrémité d'entrées (2-3) d'injection tangentielle des constituants à mélanger, une hélice tubulaire (6) disposée à l'intérieur dudit corps sans contact avec sa paroi et coaxiale à celui-ci et formant du côté de ladite première extrémité une sortie axiale (5) du mélange et d'un fond (4) qui ferme ledit corps à sa deuxième extrémité et forme, en regard de l'extrémité correspondante de l'hélice, des surfaces concaves (41) de renvoi des.veines fluides vers le canal intérieur de l'hélice. 5. Mélangeur statique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps (1), le fond (4) et l'hélice tubulaire (6) constituent trois pièces assemblées entre elles de manière amovible. 6. Mélangeur statique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdites surfaces de renvoi sont constituées par une cavité semi-torique (41) dont la concavité est dirigée vers l'entrée correspondante du canal de l'hélice. 7. Mélangeur statique selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'hélice est à pas constant et que ses filets ont un bord d'attaque sensiblement perpendiculaire à son axe, et un bord de fuite incliné par rapport à l'axe, ces deux bords étant raccordés entre eux par un arrondi. 8. Mélangeur statique selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites entrées d'injection débouchent, soit (3) au droit desdits bords de fuite, soit (2) dans une portion du corps tubulaire de l'hélice non munie de filets.