Brevet FR2636251A1 — publié le 19900316

DISPOSITIF POUR LA SEPARATION DE PARTICULES DANS UN LIQUIDE, NOTAMMENT POUR L'EPURATION DE SUSPENSIONS PAPETIERES L'invention concerne un dispositif pour la séparation de particules dans un liquide, qu'elles soient solides, liquides ou gazeuses. L'invention est particulièrement, mais non limitativement, adaptée à l'industrie papetière, notamment à l'épuration de suspensions particulaires telles que par exemple les suspensions fibreuses. Cette forme de mise en oeuvre préférée est seulement donnée a titre illustratif. En effet, l'invention peut trouver d'autres applications dans les techniques de classement ou de fractionnement par centrifugation, dans la récupération de liquides non miscibles de densités différentes, etc. Il existe actuellement dans l'industrie papetière un grand nombre d'appareils destinés à l'épuration ou au classement de suspensions fibreuses. Ceux du type cyclone ont un mode de fonctionnement basé sur les principes de vortex libre ou de vortex forcé. L'appareil tel que décrit dans le document EP-B-0037347, du type v vortex libre, donne d'excellents résultats sur les plans de l'efficacité, du taux de refus et de la consommation d'énergie, en particulier pour des productions inférieures -à environ 3 tonnes/ heure en pâte diluée (concentration de l'ordre de 1 %). Pour traiter efficacement des productions plus élevées, c'est-à-dire des débits supérieurs à 300 m3/h en pâte diluée, il devient nécessaire d'augmenter le volume de l'appareil, et donc son diamètre. Il se produit alors sur cesgros appareils & forte capacité d'épuration divers inconvénients selon leurs conditions d'utilisation. Ainsi, si l'on travaille en pâte diluée, on assiste d'une part à une augmentation des pertes de charge au niveau des paliers et des têtes d'entrée-sortie, ainsi que dans la zone périphérique d'épuration, et ce à cause de la nécessité de maintenir une agitation suffisante avec un débit élevé. D'autre part, toujours en pate diluée, il devient nécessaire, du fait du diamètre plus élevé, d'augmenter la contrepression en sortie pour capter les refus dans l'axe, ce qui conduit à la solution de les capter en périphérie interne; il se forme alors le long de l'axe de 1 'appareil un noyau d'air qui n'a pas de géométrie fixe et se déplace à l'intérieur de la suspension, d'o des vibrations dans tout le corps de l'appareil. Si l'on travaille en pate plus concentrée (Jusqu'à environ 3 %), les problèmes qui se posent sont différents: - par effet de concentration centrifuge, la pâte a tendance i s'accumuler contre la paroi, d'o des risques de vibrations dues à des balourds, et de colmatage de l'appareil par de la pâte très concentrée; - il est nécessaire de maintenir un degré d'agitation élevé pour individualiser le mouvement des fibres, et pour cela de maintenir une forte différence de vitesse écoulement périphériqueparoi, d'o des pertes de charge élevées. De plus, le contrôle de l'écoulement en périphérie du vortex, par la géométrie des têtes, et celle du corps de l'appareil essentiellement pour les petits diamètres, est assez délicat et pose des problèmes d'homogénéité d'écoulement qui peuvent être préjudiciables à la qualité de l'épuration et qui conduisent à des risques de dépôts. La présente invention remédie à ces inconvénients. Elle concerne un dispositif tel que celui décrit dans le document EP-B- 0037347, dans lequel on améliore le contrôle de l'écoulement dans la zone périphérique d'épuration et on favorise l'évacuation des refus dans la zone centrale du vortex, tout en assurant un fonctionnement stable de l'appareil. Il s'agit d'un dispositif pour la séparationde particules dans un liquide, dans lequel la suspension à épurer est amenée dans une enceinte de révolution tournant autour de son axe, du type comportant: des moyens fixes d'amenée de la suspension, disposés selon l'axe longitudinal de ladite enceinte de révolution, prolongés par des moyens mobiles de déviation du courant de suspension vers la périphérie de l'enceinte; - des moyens pour entraîner ladite enceinte en rotation autour de son axe longitudinal; - des moyens fixes de sortie de la suspension épurée et des différentes fractions séparées, disposés selon l'axe longitudinal de ladite enceinte, précédés par des moyens mobiles de déviation et dans lequel le moyen de sortie des composants les plus légers est disposé sur l'axe longitudinal de rotation, soit du côté entrée de la suspension à épurer soit du côté sortie de la suspension épurée, et dans lequel: -les moyens mobiles de déviation précédant les moyens fixes de sortie captent la plus grande partie du débit de la suspension au niveau de la périphérie de l'enceinte, puis la dévient vers l'axe longitudinal de rotation de manière à récupérer la majeure partie de l'énergie cinétique de rotation; - les moyens de sortie sont situés à l'extrémité opposée de celle de l'enceinte comportant les moyens d'amenée, et sont disposés à la périphérie de cette enceinte; caractérisé en ce qu'il comporte un corps central disposé selon l'axe longitudinal de rotation, entre les moyens fixe d'amenée de la suspension et les moyens fixes de sortie de la suspension épurée. Le corps central caractéristique de l'invention a pour fonctions essentielles: - de favoriser l'évacuation des refus, c'est-à-dire de réduire, voire même d'annuler, la pression minimum nécessaire à une bonne extraction des contaminants légers, en captant les refus non plus dans l'axe du vortex mais dans une zone de périphérie interne o la pâte est déjà très diluée du fait de la forte centrifugation des fibres, et o les pertes de pression sont encore faibles, permettant ainsi une bonne récupération de l'énergie résiduelle des refus; - par sa surface de frottement, de réduire l'augmentation des vitesses angulaires et des pertes de pression résultant des flux centripètes dans le vortex, et donc de favoriser l'écoulement des refus; - d' éviter la formation du noyau d'air et les problèmes de vibrations qui en résultaient dans certaines conditions, et plus particulièrement dans le cas d'appareils de forte capacité; - d'améliorer l'homogénéité de l'écoulement dans la zone d'épuration en périphérie du vortex. L'extraction des refus en périphérie interne peut se faire par un système d'écope aménagée dans le corps central de l'appareil, qui convertit l'énergie résiduelle du vortex (pressions dynamique et statique) en pression statique, ce qui évite la contrepression côté sortie et qui permet donc de diminuer d'autant la pression d'entrée, d'o une économie d'énergie appréciable. Le corps central peut être entraîné en rotation solidairement ou indépendamment du corps rotatif de l'appareil. Si le corps central est solidaire du corps rotatif de l'appareil, l'appareil est dans ce cas particulièrement adapté au domaine de l'épuration fine en pâte diluée, la présence du corps central permettant de mieux canaliser l'écoulement, notamment en sortie des canaux d'injection de la tête d'entrée: les écoulements parasites de recirculation ainsi que les variations radiales de vitesse angulaire de la pâte sont réduits, ce qui rend l'écoulement plus uniforme avec en particulier un état d'agitation plus homogène. Si le corps central est entraîné en rotation indépendamment du corps rotatif de l'appareil, mais solidairement des têtes d'entrée et/ou de sortie de la suspension, l'appareil est alors adapté à l'épuration de suspensions plus concentrées: l'amélioration du contrôle de l'écoulement dans la zone périphérique externe est assurée non seulement par la présence du corps central, mais également par le choix de son différentiel de vitesse de rotation qui permet de réentrainer la pâte en rotation afin de conserver à la suspension le degré d'agitation optimum; dans la pratique le différentiel de vitesse de rotation du corps central est choisi conformément à la différence de vitesse de la suspension relativement à la paroi au niveau de la zone d'injection selon les caractéristiques de la tête d'amenée. Parmi les diverses combinaisons possibles entre les vitesses de rotation du corps de l'appareil, du corps central, de la tête d'amenée et de la tête de sortie, l'une des plus avantageuses consiste à entraîner le corps central en rotation solidairement des têtes d'entrée et de sortie, et préférentiellement à une vitesse supérieure à celle du corps de l'appareil, procurant ainsi, hormis les avantages mécaniques (rigidité de l'ensemble corps central + têtes), les améliorations suivantes: - 1 'entraînement de la tête d'amenée en survitesse de rotation permet d'améliorer l'homogénéité de l'écoulement dans la zone d'injection périphérique; de plus la survitesse d'injection moyenne est fournie par la tête d'amenée, ce qui permet d'économiser le rendement moto-pompe relativement à la surpression d'injection nécessaire avec une tête d'amenée solidaire du corps de l'appareil et favorise l'extraction des refus légers; - 1 l'entraînement du corps central en survitesse de rotation permet de maintenir la survitesse d'écoulement, qui tend à décroître plus particulièrement en phase concentrée, et de contrôler ainsi de manière homogène le degré d'agitation de la suspension et son évolution le long du corps de l'appareil; - l'entraînement de la tête de sortie en rotation séparée du corps de l'appareil permet de capter de manière homogène, sans risque de dépôt et de colmatage des conduits de sortie, le flux de suspension acceptée, et plus particulièrement une fraction de composants lourds en périphérie la plus externe, et ceci avec ou sans apport d'eau de dilution. Le corps central caractéristique de l'invention peut présenter différentes géométries selon les conditions d'utilisation de l'appareil, le mode de réalisation le plus simple étant obtenu en lui donnant une forme présentant une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal, par exemple de type cylindrique ou conique, mais il va de soi que d'autres formes peuvent être adoptées, par exemple hélicoïdale. Il est indispensable qu'il soit équilibré statiquement et dynamiquement par rapport au reste de 1 'appareil. Avantageusement il présente les caractéristiques suivantes: - une forme conique convergente à partir des têtes d'amenée et de sortie de la suspension permet une bonne évacuation des refus légers en favorisant le déplacement des composants légers vers la zone d'extraction qui peut se situer à tous niveaux entre les têtes, et en particulier vers la tête de sortie lorsque celle-ci comporte le tube axial d'évacuation des refus légers; le dispositif d'écope des refus légers est situé sur un diamètre suffisant pour éviter la formation du noyau d'air et pour récupérer la pression résiduelle nécessaire, et suffisamment loin de la paroi de l'enceinte pour éviter des pertes en fibres; - le diamètre du corps central au niveau des têtes d'amenée et de sortie doit être assez important afin de bien contrôler l'écoulement dans la zone périphérique d'épuration, et plus particulièrement au niveau de la tête d'amenée afin de mieux canaliser les écoulements parasites; dans le cas o il est entrainé en rotation séparément du corps de 'appareil, le corps central peut en rotation séparément du corps de l'appareil, le corps central peut avantageusement être équipé d'éléments de réentrainement de la suspension, tels des ailettes radiales disposées longitudinalement à sa surface, et se rapprochant plus ou moins de la paroi selon le cisaillement, et donc l'état d'agitation, souhaité. Dans le cas d'un corps central creux, le volume interne peut être utilisé pour effectuer une extraction plus sélective des contaminants légers dans les refus captés en surface du corps central, c'est-à-dire servir de deuxième étage d'épuration. Il peut également servir à véhiculer un flux de recirculation interne d'une fraction intermédiaire, par exemple afin d'augmenter la dilution. Les figures annexées représentent schématiquement des exemples de réalisation du dispostif conforme à l'invention. Sur la figure ns 1 on se trouve dans le cas d'un corps central solidaire du corps de l'appareil, sur la figure ne 2 dans le cas d'un corps central entrainé en rotation séparément du corps de 1 'appareil. Sur la figure 1, l'appareil se compose: - d'une enceinte creuse 1 cylindrique entraînée en rotation autour de son axe longitudinal 2; - de paliers 3 et 4, associés à des joints d'étanchéité classiques non représentés, permettant à l'enceinte 1 de tourner sur son axe 2; - d'une tubulure 5 formant moyen fixe d'amenée de la suspension à épurer et débouchant par l'intermédiaire d'un raccord tournant en tête de l'enceinte 1 dans un conduit d'amenée 6 formant moyen mobile de déviation; - en face des moyens d'amenée (5, 6), des moyens de sortie formés S également par deux conduits fixes (9, 10) formant moyens fixes de sortie, reliés grâce à des raccordements étanches, respectivement au conduit 7 le plus près de la périphérie de sortie des particules les plus lourdes et au conduit concentrique 8 de sortie de la fraction intermédiaire; - d'un corps central 11 situé le long de l'axe longitudinal 2, fixé, par des moyens étanches non représentés ici, à l'enceinte 1, ledit corps central 11 comportant une écope 12 située dans sa partie aval et destinée à recueillir la fraction la plus légère de la suspension près de l'axe de rotation 2; - d'un conduit de sortie 13 de la fraction la plus légère de la suspension, situé immédiatement en aval de l'écope 12 et dans l'axe longitudinal 2 de l'enceinte 1. Il s'agit donc d'un épurateur du type décrit dans le document EP-B0037347, auquel on adjoint un corps central qui permet de favoriser l'évacuation des refus, de diminuer les pressions nécessaires au bon fonctionnement de l'épurateur, d'éviter les problèmes de vibrations et d'améliorer l'homogénéité de la suspension. Dans 1 'exemple schématisé sur la figure 1, le corps central 11 a une forme cônique qui facilite le déplacement des éléments légers vers la sortie située au niveau de l'écope 12, mais il va de soi que cette forme c8nique n'est pas indispensable au bon fonctionnement de l'épurateur. Un tel épurateur a déjà traité des débits de l'ordre de 400 à 450 m3/h et peut traiter des débits doubles de ces valeurs. Dans le cas o la suspension traitée est une suspension de p&te à papier, la concentration de la suspension est de l'ordre de O à 3 %, de préférence de l'ordre de 1,5 %, l'efficacité de 90 à 99 %,- avec un taux de pertes en fibres inférieur à 0,5 %. De plus, la consommation d'énergie est considérablement réduite par rapport à celle d'une installation comportant 2 épurateurs habituels en parallèle (21 kw contre 2 x 17 kw), économie à laquelle il faut ajouter une économie d'énergie de pompage de 12 kW, soit un total de 21 kW contre 46 kW pour un débit nominal de 450 m3/h. Cette réduction considérable est die au fait qu'il n'est plus nécessaire de fournir de contrepression en sortie de l'appareil. Sur l'appareil de la figure 2, les moyens de sortie 7 et 8 respectivement des fractions lourde et intermédiaire sont mobiles, le moyen 8 étant relié grâce à des raccordements étanches aux moyens de sortie fixes 10 da la fraction intermédiaire; le corps central 11 est situé le long de l'axe longitudinal 2 et est fixé par des moyens étanches, non représentés, aux moyens d'entrée et de sortie, cet ensemble tournant, désolidarisé du corps 1 de l'appareil, étant équipé d'ailettes 14 d'entraînement de la suspension à épurer; les paliers 15 et 16, associés à des joints d'étanchéité classiques non représentés, permettent au corps central 11 de tourner autour de 1 'axe longitudinal 2; 1 'écope 12 ménagée dans le corps central forme moyen mobile de sortie de la fraction légère prolongé en aval par un conduit 13 d'évacuation selon l'axe 2 de cette fraction légère; l'écope 17 ménagée dans la tête de sortie permet l'extraction dans la zone périphérique 7 de la fraction la plus lourde, formant moyen mobile de sortie de cette fraction lourde prolongé en aval par un conduit de sortie 18 disposé selon l'axe longitudinal 2; des moyens mobiles 19 d'amenée d'un fluide auxiliaire de dilution sont ménagés le long de la tête de sortie solidaire du corps central 11 et sont reliés grâce à des raccordements étanches non représentés à des moyens fixes 20 d'amenée du fluide auxiliaire de dilution. Il s'agit donc d'un épurateur du type décrit dans le document EP-B0037347, auquel on adjoint un corps central entrainé en rotation séparément du corps. de l'appareil, permettant de contrôler l'homogénéité et l'état d'agitation de la suspension dans la zone d'épuration, et plus particulièrement adapté au traitement des potes à papier relativement concentrées avec élimination simultanée des contaminants lourds et légers. Dans l'exemple schématisé sur la figure ne 2, l'appareil présente un ensemble de dispositions géométriques adapté au cas considéré ci-avant, mais il va de soi que d'autres formes peuvent être réalisées selon les applications et les conditions d'utilisation de l'épurateur: - le corps central ll est avantageusement solidaire des têtes d'entrée et de sortie, et entraîné en survitesse de rotation par rapport au corps 1 de l'appareil, alors de forme cylindrique ou si nécessaire conique légèrement convergente, et une forme avantageuse de réalisation technologique consiste à disposer aux extrémités de l'appareil les paliers 15 et 16 de l'ensemble tournant avec le corps central 11. D'autres formes de réalisation sont possibles selon que le corps central 11 est solidaire ou non de la tête d'entrée ou de sortie. On peut en particulier entraîner le corps central 11 solidairement de la tête de sortie et en sous vitesse de rotation par rapport au corps 1 de l'appareil solidaire de la tête d'entrée, et ceci avantageusement dans le cas d'une sous vitesse d'injection associée à un corps 2 conique divergent, toujours afin de maintenir l'état d'agitation nécessaire dans la zone périphérique d'épuration de la suspension: - le corps central 11 peut être équipé d'ailettes.radiales 14 disposées longitudinalement le long du corps 11 ce qui améliore la rigidité de l'ensemble, mais tout autre dispositif d'entraînement (dans le cas d'une survitesse de rotation) ou de freinage (dans le cas d'une sous vitesse de rotation), tel des doigts ou des portions d'ailettes hélicoïdales plus ou moins inclinées peut être adapté à la surface du corps central 11; - les dispositifs pour l'extraction de la fraction légère, soit un système d'écope prolongé d'un tube axial d'évacuation vers l'amont ou l'aval de l'appareil, peuvent se situer à tout niveau entre les têtes d'entrée et de sortie; dans une forme simplifiée et dans le cas notamment de l'entraînement du corps central 11 en survitesse de rotation, le dispositif d'extraction peut être réduit à un espace libre plus ou moins long dans la zone d'écopage 12 ménagé à l'intérieur du corps central 11 alors ajouré & ce niveau, par exemple sous la forme d'un cylindre perforé ou entre des ailettes 14 assurant sa continuité longitudinale; l'extraction de la fraction légère peut être discontinue afin de réduire les pertes en matière; - les dispositifs pour l'extraction de la fraction lourde sont avantageusement associés à des dispositifs d'introduction d'eau de lavage afin de minimiser dans le cas des pates à papier, les pertes en fibres qui tendent à se concentrer vers la paroi avec les contaminants lourds. La figure 2 représente des dispositifs 17 et 18 d' évacuation continue des relus lourds, associés à des dispositifs 19 et 20 d'injection continue d'eau et lavage mettant à profit 1 'espace 19 situé entre la tête de sortie liée au corps central 11 et le flasque de sortie du corps 1 de l'appareil. Dans une forme simplifiée, les mêmes dispositifs 17 et 18 peuvent être utilisés alternativement pour l'injection discontinue d'eau de lavage de la fraction lourde et pour l'extraction discontinue des contaminants lourds, la phase d'extraction étant avantageusement très courte relativement à la phase de lavage afin de minimiser les pertes aux refus lourds. Dans une forme telle que représentée sur la figure 1, l'extraction de la fraction lourde se fait par des dispositifs 7 et 9, sans eau de lavage, c'est -a-dire avec des taux de refus lourds assez élevés; cette forme de réalisation (avec tête de sortie désolidarisée du corps 1 de l'appareil) nécessite un traitement secondaire des refus lourds, mais peut avantageusement être mise à profit pour effectuer du fractionnement, c'est-à-dire la séparation entre une fraction "lourde" et une fraction "légère" de la pâte. Cet appareil peut être utilisé pour le traitement et l'épuration de suspensions diverses, telles que par exemple des suspensions de pâtes à papier diverses, des eaux résiduaires ou des eaux polluées, des suspensions eau-pétrole, etc. 16 2636251 R E V E N D I C A T I ON 8 1. Dispositif pour la séparation de particules dans un liquide, dans lequel la suspension & épurer est amenée dans une enceinte de révolution (1) tournant autour de son axe (2), du type compor- tant: - des moyens fixes (5) d'amenée de la suspension, disposés selon l'axe longitudinal (2) de ladite enceinte de révolution (1), prolongés par des moyens mobiles de déviation (6) du courant de suspension vers la périphérie de l'enceinte (1); - des moyens pour entraîner ladite enceinte (1) en rotation autour de son axe longitudinal (2); - des moyens fixes de sortie (9, 10) de la suspension épurée et des différentes fractions séparées, disposée selon l'axe longitudinal (2) de ladite enceinte (1), précédés par des moyens mobiles de déviation (7, 8) et dans lequel le moyen de sortie (13) des composants les plus légers est disposé sur l'axe longitudinal de rotation (2), soit du côté entrée de la suspension à épurer soit du côté sortie de la suspension épurée; et dans lequel: - les moyens mobiles de déviation (7, 8) précédant les moyens fixes (9, 10) de sortie captent la plus grande partie du débit de la suspension au niveau de la périphérie de l'enceinte (1), puis la dévient vers l'axe longitudinal de rotation (2) de manière à récupérer la majeure partie de 1 'énergie cinétique de rotation; 263625 1 - les moyens de sortie (7, 8, 9, 10) sont situés à l'extrémité opposée de celle de l'enceinte (1) comportant les moyens d'amenée (5, 6), et sont disposés à la périphérie de cette enceinte (1) caractérisé en ce qu'il comporte un corps central (11) disposé selon l'axe longitudinal de rotation (2), entre les moyens fixes (5) d'amenée de la suspension et les moyens fixes (9, 10) de sortie de la suspension épurée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps central (11) est entrainé en rotation à une vitesse différente de celle de l'enceinte (1) de l'appareil. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le corps central (11) est solidaire des têtes d'entrée (5, 6) et/ou de sortie (7, 8, 9, 10). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps central (11) comporte une écope (12) de manière à extraire les composants les plus légers de la suspension. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de sortie (13) des composants les plus légers extraits par l'écope (12). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 & 5, caractérisé en ce que le corps central (11) présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal (2). 7. Dispositif selon l'une des revendications i à 6, caractérisé en ce que le corps central (11) est relié de façon étanche aux moyens d'amenée (5, 6) et de sortie (7,8, 9, 10). 8. Dispositif selon 1 'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps central (11) présente & sa surface des éléments d'entrainement ou de freinage de la suspension. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé ence que le corps central (11) est équipé d'un tube (18) de sortie pour les éléments lourds écopés en périphérie. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (19) d'amenée d'un fluide auxiliaire de dilution.