Brevet FR2693400A1 — publié le 19940114

"Ensemble de plastification et de filtration en conti- nu pour des matières telles que des polymères à l'état pâteux, visqueux ou fondu, produits visco élastiques, produits protéoléagineux".5 La présente invention concerne un ensemble de plastification et de filtration en continu pour des matières telles que des polymères à l'état pâteux, visqueux ou fondu, ou produits analogues. Il existe de nombreux dispositifs de plasti- fication composés d'un stator et d'une vis malaxant les produits reçus pour former une pâte homogène. Ces différentes installations se distinguent par la forme des filets de la vis, le changement de pas, etc Il existe également une gamme d'installa-15 tions utilisant des têtes de vis d'extrusion dites à disque ou à plateau, créant un malaxage très efficace de la matière par l'effet dit de "Weissenberg". La présente invention a pour but de perfec- tionner une telle installation en créant un ensemble permettant de plastifier des produits très divers, par une bonne régulation de la température et la sépara- tion de particules non plastifiées, de corps étran- gers, etc A cet effet, l'invention concerne un ensem- ble correspondant au type défini ci-dessus, caractéri- sé en ce que les parties de stator correspondant aux différentes zones sont munies de moyens de régulation de température formés chacun d'un condensateur, d'un dispositif de chauffage et d'une chambre annulaire en- tourant la partie correspondante du stator dont on ré- gule la température, l'enceinte ainsi formée contenant un fluide caloporteur par changement de phase, la tem- pérature réglée étant fixée par la pression régnant dans cette enceinte. L'invention se caractérise par un module de plastification composé: d'un stator et d'une chambre annulaire dont l'en- ceinte contient un fluide caloporteur par change- ment de phase La température réglée étant fixée par la pression régnant dans cette enceinte. d'une vis d'alimentation prolongée par le disque de plastification L'ensemble vis et disque monté flottant, avec une bague de restriction placé en bout du disque de plastification, le tout assurant un équilibre hydro-dynamique à l'intérieur du stator durant le travail de la matière. Ce premier module indépendant peut travail- ler seul, en ce qui concerne les produits agro- alimentaires type amylacées, produits protéoléagineux, polymères de première utilisation. Le premier module peut être suivi par un se- cond module relié au premier de façon que le stator du premier module soit prolongé par le stator du deuxième module avec alésage cylindrique renfermant une vis configurée dans la première partie pour le dégazage des extrudats Cette vis est entraînée mécaniquement en rotation par l'extrémité du disque plastificateur. La vis dans sa partie correspondante assure une séparation des infondus ou corps étrangers restant dans l'extrudat. Ce second module complète parfaitement le premier module dans le travail de la matière pour per- mettre l'utilisation des produits mélangés, afin d'a- méliorer leurs caractéristiques techniques finales. Cet ensemble de plastification permet de plastifier les matériaux les plus divers puisque la température, tant de la tête de plastification ou "disque" qu'en amont et en aval, se règle de manière automatique et cela très simplement grâce à la pres- sion du dispositif de refroidissement à changement de phase, auto-régulé Il suffit de déterminer la rela- tion entre la pression et la température qui s'établit dans chaque ensemble (cette température dépend non seulement du liquide à changement de phase mais égale- ment des caractéristiques (poids, capacité thermique, conduction thermique, etc) des matériaux consti- tuant le stator et la vis et le disque et qui sont va- riables d'un matériel à l'autre) pour permettre de ré- gler de manière très précise la température en réglant simplement la pression dans l'enceinte dans laquelle se produit l'échange thermique par changement de pha- se. Cette plastification est complétée par la séparation des particules non plastifiées, des corps étrangers, etc ce qui donne une pâte parfaitement homogène à la sortie de l'ensemble Cette pâte ne con- tient plus de bulles ou d'inclusion d'air ou de gaz puisque ce gaz aura été séparé par dégazage. De manière plus particulière, le moyen de refroidissement auto-régulé du disque se compose d'une chemise périphérique entourant le stator au droit du disque et communiquant avec une chambre munie d'un moyen de refroidissement et d'un moyen de réglage de la pression ainsi qu'un moyen de chauffage coopérant avec le chemise de refroidissement contenant un liqui- de changeant de phase (liquide-vapeur) dans la plage des températures à réguler. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés. Ainsi: les figures l A, 1 B sont une vue en coupe schématique de l'ensemble de plastification et de fil- tration en continu selon l'invention, la figure l A re- présentant le premier module de la machine et la figu- re 1 B son second module. la figure 2 A est une vue en coupe selon II-II de la figure 2 B. la figure 2 B est une coupe axiale au ni- veau de la coupe III-III de la figure 1. la figure 3 est une vue schématique du dispositif de refroidissement du disque de l'ensemble de la figure 1. la figure 4 montre schématiquement une va- riante du dispositif de refroidissement. Selon les figures l A, 1 B qui se juxtaposent suivant le trait DD, l'ensemble de plastification et de filtration se compose, de gauche à droite, au-delà du groupe d'entraînement, non représenté, d'une zone d'alimentation I reliée à la zone d'homogénéisation III par une zone intermédiaire II La zone d'homogé- néisation III est suivie d'une zone de dégazage IV puis d'une zone de filtration V et d'une zone de sor- tie VI L'ensemble est aligné sur un axe XX autour du- quel tourne la vis 1 dans le stator 2. La figure l A montre schématiquement le pre- mier module et la figure l B, le sec, odule de l'en- semble de plastification. La vis 1 se compose d'une première partie 101 commune aux zones I, II, d'un "disque" 102, d'une partie 103 pour la zone IV, d'une partie 104 pour la zone V et d'une partie 105 pour la zone VI. Le stator 2 se compose de parties en forme de manchons 201, 202, 203, 204, 205, correspondant aux zones I à VI et réunies les unes aux autres suivant l'axe XX Les différentes parties sont équipées de dispositifs de régulation de température 3 composés d'un condenseur 301 et d'un dispositif de chauffage 302 associés à une chambre annulaire 303 respective du stator Les dispositifs de régulation de température 3 répartis le long de l'axe XX de la vis, règlent à cha- que endroit la température du produit circulant entre le stator 2 et la vis 1 Les dispositifs 3 seront dé- crits à l'aide de la figure 3. Le stator 2 présente un alésage cylindrique sur toute sa longueur, sauf dans la zone d'homogénéi- sation III o il forme un logement pour le disque de la vis. Pour l'alimentation, le stator comporte un orifice d'alimentation 206 surmonté d'une trémie non représentée. Dans la zone d'homogénéisation III, la par- tie 203 du stator a une forme intérieure évasée, sen- siblement biconique définissant une chambre recevant le disque 102 en formant avec la surface extérieure du disque un intervalle périphérique dont la section évo- lue suivant le traitement à effectuer sur la matière. Cette adaptation du stator, dans sa partie 203 peut être faite ou complétée par une bague de res- triction constituée par un insert 207 constituant en même temps une pièce d'usure de la zone à forte éro- sion, en sortie de disque. En aval du disque 102, dans la zone IV, après homogénéisation de la matière, il est prévu un puits de dégazage 208. Dans les zones de filtration V et de sortie VI le stator 1 ne présente pas de caractéristiques particulières à l'exception du dispositif d'évacuation des infondus 4, dans la partie de stator 205 Ce dis- positif 4 est constitué par un embout 401 relié à l'o- rifice d'évacuation 209 de la partie 205 Cet embout 401 comporte un orifice 402 commandé par un clapet 403 soumis à l'action d'un ressort antagoniste 404 réglé sur une pulsion déterminée. Lorsque la pression régnant au-dessus du clapet 403 est suffisante, elle permet de repousser celui-ci qui laisse s'échapper les infondus par l'ori- fice 402. L'extrémité droite du stator est ouverte, l'étanchéité étant réalisée par une vis à filet anta- goniste décrite ultérieurement. La vis 1 logée dans le stator 2 se compose de plusieurs parties 101-105 dont la forme est adaptée à la fonction particulière de chaque partie. A l'entrée, dans la zone d'alimentation 101, le filet de la partie de vis 101 prend la matière et la transfère vers le disque 102 Cette vis 101 est commune aux deux zones I, II. Intérieurement, la vis est traversée par une canne de refroidissement 5 débouchant par une extrémi- té 501 dans la chambre 1020 du disque 102. Le disque 102 est en fait un organe en forme de bicorne creux (chambre 1020) relié de chaque côté à la partie de vis en amont et en aval du disque, par l'entraînement en rotation. La partie 103 de la vis dans la zone de dé- gazage IV présente un fond légèrement montant dans le sens de la circulation de la matière pour créer un ef- fet de compression favorisant le dégazage. Dans la zone de filtration IV, la vis 104 présente une cavité 1040 définissant une chambre 1042 dans laquelle débouchent des conduits 1041 (figure 2 B) réalisés dans l'hélice de la partie de vis 104 La chambre 1042 forme un conduit pour la matière filtrée, vers la sortie 108 de la vis. En effet, les conduits 1041 constituent le filtre la matière fondue est suffisamment fluide pour traverser les canaux 1041 alors que les infondus restent à l'extérieur pour être transportés par la vis jusqu'à l'orifice 209 de sortie des infondus. L'étanchéité de l'ensemble vis/stator est réalisée par le filet antagoniste 1043 Ce filet a un pas opposé à celui du filet de vis en amont Comme il tourne solidairement avec l'ensemble de la vis, il crée un effet de refoulement renvoyant les infondus qui passent l'orifice 209 et sortiraient du stator. Les figures 2 A, 2 B montrent le détail de la zone de filtrage IV Dans cette zone IV le filet 1044 comporte des conduits 1041 débouchant tangentiellement dans la chambre 1042 délimitée entre l'intérieur de la partie de vis 104 et un noyau intérieur 1046 La figu- re 2 B ne montre qu'un conduit 1041, les autres étant figurés par des traits d'axe 1047 Ces conduits sont dirigés tangentiellement dans la chambre 1042, prenant naissance légèrement sur le côté du filet pour ne pas être bouchés par la paroi intérieure de la partie 205 du stator Il est préférable que les conduits 1041 dé- bouchent près de la paroi du stator ( 205) et non au fond de la gorge entre le filet de la vis car la ma- tière peut ne pas être à la bonne température et de plus ce fond est occupé par les infondus. Les figures 2 A, 2 B montrent également la chambre-annulaire 303 du dispositif de régulation de température. La figure 3 montre schématiquement la struc- ture d'un dispositif d'autorégulation de température. Le stator 2 est figuré par un cercle entouré par la chambre annulaire 303 se terminant en partie basse par le dispositif de chauffage 302 figuré par une résistance chauffante et en partie haute par le condenseur 301 comprenant un conduit 3010 entouré éga- lement par un moyen de refroidissement 3011 indépen- dant du dispositif 302 et se poursuivant par une cham- bre 3012 équipée d'un organe de commande de pression 3013 qui règle la pression régnant dans la chambre 3012 et par suite la température dans le volume annu- laire 303. Un liquide de refroidissement est contenu dans le volume ainsi formé Ce liquide change d'état; il s'évapore et se condense en échangeant sa chaleur latente. La figure 4 montre une autre variante d'un dispositif d'autorégulation à changement de phase avec régulation de la température extérieure Le stator 22 est figuré par un cercle entouré par la chambre annu- laire 3032 se terminant en partie basse par le dispo- sitif de chauffage 3022 figuré par une résistance chauffante Ce dispositif de chauffage est de faible puissance Le stator 2 est entouré par un tissu capil- laire 3042 et un serpentin 3052 à spires non jointives pour la circulation du fluide caloporteur assurant le refroidissement par évaporation (changement de phase du fluide de refroidissement dans le matériau capil- laire). La condensation sur le serpentin évacue les calories vers le fluide de refroidissement Les con- densats retournent dans le matériau capillaire La ré- gulation est assurée par un dispositif pressostat de régulation de température agissant sur une électrovan- ne 3062 assurant le débit de fluide de refroidissement dans le serpentin condenseur. Un clapet anti-retour 3072 placé en amont du serpentin avec l'électrovanne 3062 placée en aval du serpentin ont pour fonction d'éviter toute évaporation de fluide dans le serpentin et ainsi d'éviter l'entar- trage du serpentin. L'ensemble de plastification selon l'inven- tion permet de traiter des matériaux très divers tels que des polymères à l'état pâteux, visqueux ou fondu, de même que des produits tels que l'amidon pour la fa- brication de produits les plus divers, avec recyclage de matières de récupération ou fabrication de produits biodégradables. - R E V E N D I C A T I O N S le) Ensemble de plastification et de filtra- tion en continu de matières telles que des polymères à l'état pâteux, visqueux ou fondu, les poroduits visco élastiques, ensemble comprenant deux modules, un modu- le de plastification et un module de dégazage et de filtrage, avec un stator recevant une vis flottante et successivement une zone d'alimentation recevant la ma- tière à plastifier, une zone d'homogénéisation, une zone de dégazage, une zone de filtration des infondus et une zone de sortie de la matière plastifiée ainsi que des zones intermédiaires, le stator et la vis étant réalisés en plusieurs parties correspondant aux différentes zones et la vis ayant un disque de plasti- fication, ensemble caractérisé en ce que les parties de stator ( 2, 201, 202, 203, 204, 205) correspondant aux différentes zones sont munies de moyens de régulation de température ( 3, 301, 302, 303) formés chacun d'un condensateur ( 301), d'un dispositif de chauffage ( 302) et d'une chambre annu- laire ( 303) entourant la partie correspondante du stator dont on régule la température, l'enceinte ainsi formée contenant un fluide caloporteur par changement de phase, la température réglée étant fixée par la pression régnant dans cette enceinte. 2 c) Ensemble selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la partie ( 104) de la vis ( 1) de la zone de filtration (V) est une cavité ( 1040) défi- nissant une chambre ( 1042) dans laquelle débouchent des canaux ( 1041) réalisés dans les l'hélice de la vis, le diamètre des canaux ( 1041) étant choisi pour que les canaux ne laissent passer que la matière fon- due et non les infondus et le stator comporte dans sa partie ( 205) proche de la zone de sortie*-, en aval de il la zone de filtration (V), un dispositif d'évacuation ( 4) des infondus, ce dispositif comportant un clapet ( 403) soumis à l'action d'un ressort antagoniste ( 404). 30) Ensemble selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que la chambre ( 1042) est définie com- me intervalle annulaire entre la cavité ( 1040) et un noyau ( 1045) pour déboucher à la sortie de la vis. ) Ensemble selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que la vis ( 1) comporte, dans la zone de sortie (VI), un filet antagoniste ( 1043). *) Ensemble selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le dispositif de régulation de température ( 3) se compose d'une chambre annulaire ( 303) munie en partie basse d'un dispositif de chauf- fage ( 302) et en partie haute d'un condenseur ( 301) avec un conduit ( 3010) entouré d'un moyen de chauffage ( 3011) et débouchant dans une chambre ( 3012) équipée d'un organe de commande de pression ( 3013). 60) Ensemble selon la revendiction 1, carac- térisé en ce que le dispositif de régulation de tempé- rature se compose d'une chambre annulaire munie en partie basse d'un dispositif de chauffage et entourant la chambre, un tissu capillaire et un serpentin de circulation de fluide équipé en amont d'un clapet an- ti-retour et d'une électrovanne en aval commandée par régulation de température avec un pressostat.