Brevet FR2643287A1 — publié le 19900824

La présente invention est relative â un appareil de mélange dt fluides initialement contenus dans une tuyauterie. Par extension, elle pourrait étire appliquée â des mélanges de fluides et de solides. Le situations dans lesquelles il est nécessaire d'homogénéïser des fluides sont très nombreuses dans l'industrie. Citons, à titre exemple non limitatif, l'homogénésation en température d'un fluide d'une espèce donnée, le mélange de deux fluides de composition chimique différentes, le mélange de deux fluides de couleurs différentes ou le mélange de deux espèces destiné a pouvoir prélever des échantillons représentatifa de leurs proportions moyennes. Ce type de traitement peut outre nécessaire sur des fluides miscibles ou non. Dans ce dernier cas, il peut etre utile de créer, non -seulement un melange intime, mais également un émulsionnement du mélange pour éviter que les phases se séparent * nouveau après traitement. La dimension des appareils ê mettre en oeuvre -est très variable, les besoins d'homogénéisation se rencontrant aussi bien sur de très petites tuyauteries, de lcm de diamètre par exemple, que sur de très grandes, de lm de diamètre ou plus par exemple. Les qualités dEun mélangeur en ligne sont les suivantes. - L'homogênete de la concentration du mélange en sortie. On la caractérise par l'écart type des fluctuations par rapport â la moyenne, et par une longueur caractéristique des fluctuations, ramenée par exemple au diamètre de la conduite. - L'encombrement de l'appareil, en particulier selon la direction de l'axe de la tuyauterie. - La perte de charge de l'appareil, qui sera la plus faible possible. - Le nombre de REYNOLDS minimal pour lequel l'appareil donne un fonctionnement satisfaisant. Plus le nombre de REYNOLDS est faible, ce qui correspond â des fluides plus visqueux, plus il est difficile de réaliser un mélange homogène. - La possibilité de mélanger des fluides de densité différentes. - La facilite d'entretien. Les appareils existants ne donnent qu'uns réponse partielle à cee problèmes. Parmi les appareils existants les plus performants, on citera celui qui fait l'objet du brevet F 16444, et qui décrit un mélangeur * tales perforées, â axe longitudinal et à chambres coextensives. Cette invention a été faite par l'auteur du présent document. Les performances de cet appareil sont excellentes d'un point de vue du mélange. I1 a cependant l'inconvénient d'6tre difficile à entretenir et de n'avoir pas d'étage d'émulsionnement ou de micro mélangeage intégré. Dans les appareils de mélange en conduite traditionnels, on utilise des aubages fixes de formes diverses. Ces systèmes ont généralement une très grande longueur pour que le mélange soit efficace et présentent des pertes de charge parfois trop importantes. On se référera à l'ouvrage de James Y OLDSHUE "Fluid mixing Techflologyw (Editeur flac Grav Hill) pour plus de détails sur l'état de l'art. Le procédé objet de la présente invention est représente sur la figure l. Il s'agit d'un dispositif statique de mélange. Le fluide d homogénéiser initialement présent dans la tuyauterie (1) et dirigé suivant FO pénètre dans l'espace annulaire (2) ménagé entre les parois de la cuve de mélange (3) et celles de la virole (4). I1 s'écoule dans cet espace avant de pénétrer dans un second espace annulaire t6l situé entre la virole (4) et une seconde virole (5). Pour que l'écoulement puisse se produire, des orifices (7) euront été ménagés dans la virole (4). La perte de charge qu'ils créent aura été calculée selon les règles de l'art connu pour que l'espace annulaire (6) soit alimenté de manière homogène par le fluide.Les orifices pourront, par exemple etre les trous d'une tOle perforée. Le mélange souhaité se fait dans l'espace annulaire (6). Les couches inférieures de fluide que l'on a représentées en hachuré fin sur la figure l pénètrent dans cet espace dans sa zône inférieure selon les flèches Fl, tandis que les couches supérieures pénètrent dans cet espace en partie supérieure selon F2. Les jets formés au travers des orifices (7) permettent d'homogénéser le liquide qui les constitue avec celui qui monte dans l'espace annulaire, ce mélange étant particulièrement efficace, étant donné la faible épaisseur de l'espace annulaire. Le système permet donc de réaliser le transport des différentes couches de fluide dans l'espace annulaire (2), puis de les mélanger dans l'espace annulaire (6) de telle sorte que, lorsque le fluide quitte ledit espace (6), il soit très homogène, ce qui est schématisé par une hachure plussl che. Lorsque le fluide quitte l'espace (6? sur la figure l, on peut souhaiter diminuer encore les échelles caractéristiques des. fluctuations de concentration du mélange et donc réaliser ce que les spécialistes appellent un micro mélange; On peut également souhaiter créer une émulsion dans le cas od les fluides sont non miscibles. Pour réaliser l'une ou l'autre de ces opérations, on fait passer le fluide selon les flèches F3 au travers de la tdle perforée (8) dont les orifices (9) seront en général plus petits et de section cumulée plus faible que les orifices (7 > . Au travers de ces jets, la perte de charge pourra etre suffisamment élevée et la forme des orifices adaptée pour que l'on puisse réaliser le processus souhaité. Sur la figure 2, la têle perforée est double, la seconde pouvent se déplacer par rapport * la première de telle sorte que l'on puisse découvrir les orifices de manière variable. Ceci permet, par exemple, de garder constante la perte decharge des orifices pour que le processus de traitement secondaire garde sa qualité en cas de changement du debit principal. Après que l'écoulement ait traversé cette seconde tble perforée, il est réintroduit dans la tuyauterie d'évacuatiôn (li > selon F4 au travers du coude (10). Le processus de mélange est alors terminé et le fluide quitte le mélangeur selon F5. Noua donnons un exemple de dimensionnement typique du mPlangeur ci-dessus décrit t - Diamètre de la tuyauterie d'entrée t 400 mm. - Diamètre de la cuve de mélange: 800 mm. - Diamètre de la première virole (4):600 mm. - Diamètre de la seconde virole (8): 400 mm. - Hauteur de la partie perforée de la virole(4): 400 mm. - Taux de perforation, supposé homogène: 16%. - Diamètre des orifices(7 > t 15 mm. - Hauteur de la partie perforée de la virole(8): 400 mm. - Taux de perforation, supposé homogène: BX. - Diamètre des orifices(S): 10 mm. Avec ce dimensionnement, la perte de charge totale de l'appareil, pour une vitesse moyenne d'écoulement de 2 m/ dans la tuyauterie d'alimentation (1) sera de l'ordre de 10* Pa pour un liquide de densité proche de celle de l'eau, soit, en unités plus courantes, de 1 m de fluide. Au cas où la tôle de micromélange ne serait pas mise en place, et remplacée par une tôle â forte perforation, cette perte de charge servit réduite d'un coefficient de l'ordre de 3. Elle serait alors particulièrement faible comparée à celle de la plupart des appareils existants. La figure 2 présente le meme appareil muni d'un dispositif de réglage des orifices 9. pUne virole supplémentaire (12) glisse verticalement le long de la virole fixe (8). La virole (12) est munie de perforation. (15) qui peuvent être mises en regard de celles de la virole t8), de telle sorte que les trous de la virole (8) apparaissent débouchée. En faisant glisser la virole (l2) au moyen du dispositif (13) de commande, monté sur son support (14 > , on peut modifier l'ouverture des orifices en regard, jusqu'à les obstruer complètement. De cette manière, on fait varier la perte de charge de chacun des orifices et l'on peut ajuster le taux de dissipation d'énergie turbulente à l'aval de chacun d'eux. Une telle disposition est, par exemple, particulièrement intéressante lorsque l'on veut régler la finesse d'une émulsion dans le cas ou les fluides à mélanger sont non miscibles. La figure 3 donne une variante de l'appareil dents le cas où les fluides å mélanger sont de densité différentes. Il faut alors éviter de créer des gradients de concentration azimut-ux et il importe donc que les différentes couches de fluide pénètrent dans ltespace(6)de manière uniforme en azimuth par rapport é l'axe vertical.Pour éviter la création de gradients de concentration permanents ou instationnaires dans le sens vertical dans la chambre (2), qui, eux-memes conduiraient t des gradients azimutaux, on met en place des plaques horizontales (16) qui canalisent les différentes couches de fluide selon les flèches F6 et conduisent a une meilleure homogénéïté en sortie du tube (6). La figure 4 donne un exemple de rbalisation possible d'un mélangeur simplifié basé sur les principes ci-dessus décrits, mélangeur mono étagé. Quoique moins bonnes que celles des appareils ci-dessus décrits, ses performances sont acceptables dans bien des applications pratiques. Les fluides à mélanger suivent les flèches F7 et F8. La figure 5 donne un exemple de réalisation d'un mélangeur * 4 étages. le fluide suit les flèches F9,F10 et Pli. I1 est bien évident qu'il serait possible de multiplier le nombre de tels étages. une telle disposition pourrait, par exemple s'avérer utile dans un processus nécessitant un temps de séjour relativement important en milieu agité de manière homogene. REVENDICATIONS. I. Dispositif statique de mélange de fluides en circulation dan. une canalisation (1), caractérisé en ce que les fluides à mélanger pénètrent dans une cuve (3) d'axe quasi perpendiculaire b celle de la conduite, qu'ils sont réparti. dans un espace annulaire (2) compris entre deux viroles d'axes quasi parallèlles a celui de ladite cuve, qu'il. traversent l'une des parois constituant ledit espace annulaire au travers d'orifices (7) quasi equirépartis, le mélange- intime des fluides étant réalisé dans l'espace annulaire existant entre la virole qu'ils viennent de traverser et une troisième virole, d'axe quasi parallèle à celui des deux premières, ledit fluide ayant, entre-ces deux dernières viroles, un trajet quasi parallèle å l'axe commun, tandis que l'alimentation eu travers des orifices se fait de manière quasi perpendicuqaire * cette direction d'écoulement, cette disposition permettant de réaliser un mélange des espèces constituant le fluide dans un espace de longueur très réduite, favorable à une bonne efficacité du mélange, le nombre de chambres de mélange en espace annulaire ainsi constituées étant au moins égal à 1. 2. Dispositif selon la revendication N01 caractérisé en ce que l'axe dela chambre de mélange est vertical. 3. Dispositif selon la revendication N01 caractérisé en ce que l'une des cloisons (S > est munie d'orifices à section variable, ladite seotion variable étant réalisée au moyen de deux tôles (8) et (12) quasi-également perfores dont les orifices peuvent etre déplacés les uns par rapport aux autre de telle sorte que l'on puise faire varier l'ouverture du trou constitué de la projection de deux des dits orifices, dans une fourchette comprise entre l'ouverture totale et la fermeture totale, le mouvement des deux tôles pouvant se faire par translation selon l'axe de la cuve de mélange ou par rotation autour de ce même exe, la solution mise en oeuvre dépendant de critères technologiques. 4. Dispositif selon la revendication N01 caractérisé en ce que lssalimentation du premier espace annulaire s'effectue entre de couronnes quasi cylindriques quasi horizontales (16) placée à différentes hauteurs destinées à mieux canaliser le. différentes strates de fluide avant qu'elles ne pénètrent dan. le second espace annulaire ce système ayant pour but de rendre le distribution azymuthale des espèces mélangées la plus homogène possible en sortie de l'espace annulaire dans lequel est effectué le mélange. 5.Dispositif selon lsune quelconque des revendications ci dessus caractérisé en ce que l'une des extrémités de la cuve de mélange est munie d'un couvercle démontable (17 > permettant l'inspection, le démontage et le nettoyage des composants du mélangeur en cas d'encrassage ou de détérioration de l'un ou l'autre des composants.