Brevet FR2723599A1 — publié le 19960216

DISPOSITIF POUR LA FORMATION D'UN JET PLAN DE SUSPENSION FLUIDE Domaine Technique L'invention concerne un dispositif pour la formation d'un jet plan de suspension fluide; elle concerne plus particulièrement la formation d'un tel jet plan dans le domaine du mélange et de la fabrication de matériaux en feuilles ou en plaques à partir de particules en suspension dans un fluide, notamment de suspension de fibres dans de l'eau. L'invention est particulièrement adaptée à l'industrie papetière au niveau de la formation de la feuille à partir de suspensions fibreuses; elle trouve également différentes applications dans le domaine de l'enduction et dans le couchage des papiers et cartons. Si dans la suite de la description, l'invention est particulièrement décrite dans son application à la fabrication des papiers, elle peut également trouver d'autres applications dans les mélanges avec ou sans échange de chaleur dans les industries chimiques, agro-alimentaires, pharmaceutiques ou le traitement des eaux, ainsi que dans la fabrication des films à partir de polymères en fusion ou dans la fabrication des fibrociment. Techniques antérieures Dans la fabrication des papiers et des cartons, la suspension fibreuse se transforme en un jet de pâte sortant de la caisse de tête. Comme on le sait, une caisse de tête doit essentiellement assurer un jet uniforme et homogène dans la buse de sortie, tout en atténuant les irrégularités de vitesse, de pression et de concentration provenant du distributeur d'arrivée de la pâte. Quel que soit le dispositif d'arrivée de la pâte, une caisse de tête doit essentiellement assurer les trois propriétés principales suivantes: - uniformité de l'épaisseur du jet; vitesse constante à la buse de sortie; - homogénéité de la concentration en fibres. Ces propriétés doivent être stables dans l'espace, notamment dans le sens travers, dans le temps (c'est à dire dans le sens de la marche du jet) pour que le grammage de la feuille reste constant. Pour une ouverture des lèvres constante, toute variation locale du grammage de la feuille provient soit, d'une variation de vitesse locale ou de la concentration provoquée par la floculation, voire des deux à la fois. Lorsque la vitesse dans le jet varie, cela provoque une variation de la quantité de matière, pouvant introduire des variations dans le temps et sur la largeur de la feuille formée de l'ordre de 1 à 5 %. Les variations de vitesse dans le sens travers sont d'origine non turbulentes. Elles peuvent être aléatoires si l'état de surface de la buse de sortie est parfait sinon stationnaires. On a ainsi cherché à uniformiser la pression dans la buse de sortie pour obtenir une répartition uniforme du champ de vitesse. Toutefois, ce réglage est difficile à obtenir sur des largeurs de buse de l'ordre ou supérieur à trois mètres. Comme on le sait, les fluctuations de concentration en fibres sont liées à la floculation dont l'intensité dépend essentiellement de la turbulence hydrodynamique générée dans la caisse de tête. Cette turbulence provoque la dislocation des flocs. Ainsi, les tourbillons de petite taille, c'est à dire dont la taille est inférieure à celle des flocs, disloquent les flocs en fibres individuelles, alors que les gros tourbillons entraînent les flocs dans leur mouvement. Il y a donc interaction de ces deux types de tourbillons entre eux qui peut provoquer une refloculation. Les caisses de tête conçues pour le formage à haute concentration doivent être performantes aux faibles concentration. En effet, pouvoir défloculer un système concentré et l'entretenir dans le jet libre doit permettre de réaliser des écoulements parfaitement homogènes avec des concentrations couramment utilisées. Pour obtenir ce résultat, on fait généralement appel au principe de génération de turbulence classique, avec plus ou moins de petites variances pour disloquer les flocs. Or, la turbulence classique n'est pas suffisante pour une dislocation totale des flocs. Par ailleurs, la couche limite hydrodynamique dans la buse de sortie qui intervient notamment dans la répartition des vitesses dans le jet n'est pas prise en compte dans la conception des caisses de tête. L'invention pallie ces inconvénients. Elle vise un dispositif du type en question, permettant de générer une turbulence particulière o la taille des tourbillons est calibrée tout en suivant une loi discrète tout au long de l'écoulement dans le dispositif. L'invention vise plus particulièrement une caisse de tête apte à générer des tourbillons permettant d'assurer la dislocation des flocs dans les meilleures conditions. 4 2723599 Exposé de l'invention Ce dispositif pour la formation d'un jet plan de suspension liquide du type comprenant: - des moyens d'alimentation d'une suspension liquide; - des moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence de la suspension alimentée; - des moyens de sortie du jet plan formé se caractérise en ce que les moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence de la suspension alimentée sont formés - d'un premier canal d'écoulement incurvé fixe de la suspension - d'un second canal d'écoulement incurvé coaxial au premier canal; - des moyens pour former des tourbillons calibrés d'axe parallèle à l'écoulement incurvé, de manière à créer une répartition transversale harmonique des vitesses et des pressions et à contrôler l'échelle et le niveau des tourbillons. En d'autres termes, l'invention consiste dans une caisse de tête, à introduire la suspension fibreuse dans deux canaux incurvés successifs coaxiaux de manière à former des tourbillons calibrés d'axe parallèle à l'écoulement pour créer une répartition transversale harmonique des vitesses et des pressions, et par voie de conséquence former un jet homogène en vitesse et à floculation réduite, même à haute concentration. Avantageusement en pratique - le moyen pour former des tourbillons calibrés est constitué par un cylindre rotatif coaxial aux deux canaux incurvés; - les deux canaux incurvés sont disposés en série de manière à produire une succession d'échelles et de niveaux de turbulence adaptée à la défloculation progressive de la suspension fibreuse. Le premier canal externe d'écoulement fixe produit des tourbillons calibrés de grande échelle adaptée à la dispersion des plus grands flocs. Le second canal interne d'écoulement coaxial au premier associé au cylindre rotatif produit des tourbillons calibrés de petite échelle adaptée à la dispersion des plus petits flocs de fibres. Le cylindre rotatif tourne dans le même sens que l'écoulement de la suspension et la vitesse périphérique du cylindre rotatif est d'environ trois à quatre fois supérieure à celle de la vitesse de l'écoulement, si l'on désire minimiser les pertes de charges. Le cylindre rotatif présente un état de surface non uniforme, par exemple dont la génératrice épouse une ligne brisée de préférence régulière. Avantageusement, la génératrice du cylindre épouse la forme d'une rainure sinusoïdale radiale dont la longueur d'onde est d'environ deux à dix fois (de préférence deux à trois fois) la longueur moyenne des fibres. Dans une autre forme d'exécution, le dispositif comporte également un organe déflecteur disposé entre le cylindre rotatif pour séparer les débits entre l'alimentation, l'écoulement dans le canal incurvé et le jet de sortie. Dans une autre forme d'exécution, le dispositif présente des moyens d'introduction d'eau, de solutions ou de suspensions ménagés le long d'une génératrice d'au moins un des canaux incurvés de manière à réguler la concentration et la composition de la pâte au niveau du jet. 6 2723599 Dans une variante, on introduit dans ce moyen une composition différente de la suspension principale, de manière à créer une composition stratifiée de la suspension dans le jet (papiers et cartons multijets). Dans une autre forme d'exécution avantageuse, on associe au moins deux caisses de tête conformes à l'invention, éventuellement avec une ou plusieurs caisses de tête conventionelles. Ainsi, la nouvelle caisse de tête conforme à l'invention vise à générer une turbulence particulière o la taille des tourbillons est calibrée. La taille de ces tourbillons suit une loi discrète tout le long de l'écoulement. Ainsi, à l'entrée de la caisse, on commence par générer des tourbillons de grande taille dans le premier canal incurvé, de manière à disloquer les grands flocs en de plus petits flocs. Dans le second canal incurvé coaxial au premier, on réduit cette nouvelle taille par des tourbillons de plus en plus petits, jusqu'à dislocation totale. Comme on contrôle l'intensité et la taille des tourbillons tout le long de ces deux canaux, on change complètement l'interaction floculation- turbulence par une action de la turbulence sur la floculation. Ce dispositif permet donc d'obtenir des suspensions très homogènes, même à haute concentration (4 % et plus) et ce, quelle que soit la nature des fibres. Par ailleurs, la durée de vie dans le jet libre des tourbillons générés est beaucoup plus importante que celle d'une turbulence classique, exploitée jusqu'alors. Ce paramètre est important dans le jet libre, car la relaxation, c'est à dire la réapparition des flocs en dépend fortement étant donné que la production de la turbulence n'existe plus. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées. Description sommaire des dessins La figure 1 est une représentation d'un dispositif conforme à l'invention. La figure 2 est une variante d'éxécution de la figure 1 avec recyclage. La figure 3 est un autre mode d'exécution de l'invention, dans laquelle deux dispositifs sont associés. La figure 4 est une représentation schématique de l'invention en application du couchage du papier. Manières de réaliser l'invention La caisse de tête conforme à l'invention, désignée par la référence générale (1) comprend une enceinte (2) reliée par le bas à une alimentation (3) en suspension fibreuse d'usage courant dans la fabrication des papiers ou des cartons. L'enceinte (2) de forme parallélipipédique par exemple de section carrée, présente un orifice de sortie (4) d'o est issu le jet plan (J). L'orifice de sortie (4) est avantageusement formée de manière connue d'une lèvre fixe inférieure (5) et d'une lèvre supérieure (6) réglable par rapport à la lèvre inférieure (5). 8 2723599 Selon une première caractéristique de l'invention, le conduit d'alimentation (3) débouche dans un premier espace (10) formé entre la paroi (11) et une portion incurvée (12) de manière à ce que l'épaisseur de la veine du fluide liquide (F) diminue progressivement. Selon une première caractéristique de l'invention, le flux liquide (F) pénètre dans un premier canal d'écoulement incurvé fixe désigné par la référence générale (15) formé de deux plaques coxiales incurvées, respectivement extérieure (16) et intérieure (17) dans le prolongement de (12). Dans ce canal (15) on génère des tourbillons de grande taille qui disloque les grands flocs en petits flocs. La zone incurvée (16) fait tout le tour de l'enceinte (2) et à hauteur de la paroi (18) parallèle à (11) se soude en (19) à l'entrée (20) de la lèvre supérieure (6). Selon une seconde caractéristique de l'invention, le dispositif comprend également un second canal désigné par la référence générale (25) formé par la face interne de la plaque incurvée (17) de manière à ce que la suspension fibreuse (F2) soit soumise à des tourbillons de plus en plus petits jusqu'à dislocation totale des flocs. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend un cylindre tournant (26) autour d'un axe (29) entraîné par un moteur (27) au moyen d'une courroie (28). Ainsi, tout au long de l'écoulement (F1, F2, F3), on contrôle l'intensité et la taille des tourbillons, ce qui provoque une interaction floculation - turbulence au lieu d'une action de la turbulence sur la floculation. La suspension traitée (F3) pénètre dans le canal de sortie (4) pour former ainsi le jet plan (J) recherché. Selon une autre caractéristique de l'invention, le cylindre rotatif (26) qui forme l'espace confiné de cisaillement avec la plaque incurvée (17) présente une génératrice qui n'est pas une ligne droite mais varie de manière harmonique. Cette génératrice peut épouser des formes variées, telles que par exemple en dents de scie, en créneaux, en arcs de cercle, et de préférence en forme de sinusoïde. Comme déjà dit, la période de ces formes radiales, sinusoïde par exemple, est de l'ordre de deux à trois fois la longueur moyenne des fibres de la suspension. Dans la forme d'exécution perfectionnée montrée à la figure 2, l'orifice de sortie (4) est associé à une sortie parallèle (30) de recyclage disposée légèrement en anal pour permettre d'accroître le débit dans le dispositif, et donc l'intensité de vorticité tout en augmentant la vitesse du cylindre tournant (26), sans modifier le débit de sortie (4) de la caisse. En pratique, la vitesse de rotation du cylindre caractéristique (26) peut varier de un à dix fois la vitesse de l'écoulement (F) et ce, dans un sens ou dans l'autre. Dans l'exemple de réalisation illustré dans la figure 3, le dispositif comprend quatre jets (40-43) issus de deux caisses conformes à l'invention (45, 46) o sont introduites les suspensions contenant des fibres longues en A et courtes en C, et de deux caisses classiques (47, 48) destinées à recevoir les suspensions contenant des fibres moyennes. Les références (49) et (49') désignent une toile. Cette disposition permet de réaliser une structure multicouches composée de différents types et/ou sortes de fibres. 1 0 La figure 4 montre schématiquement un mode de réalisation des utilisations de l'invention dans l'application au couchage du papier. Ce dispositif constitue alors une tête d'enduction qui délivre un jet plan dosé de sauce de couchage (55) sur un cylindre (56) ayant le rôle, soit de support de la feuille de papier (57), soit de rouleau transfert. La sauce d'enduction (E) est amenée en (50) pour être confinée dans un premier canal (52) incurvé formé entre un cylindre rotatif (53) analogue à (26) et une tôle extérieure (54) coaxiale à (53). La canalisation (52) incurvée présente une section constante, par exemple rectangulaire. Cette canalisation débouche en (55) dans un espace confiné avec le rouleau d'enduction (56) tournant dans le sens indiqué par la flèche (R). Le râcle (51) permet de contrôler et de limiter la recirculation de la sauce dans le canal (52). En pratique, la vitesse tangentielle du cylindre (56) et de l'ordre de trois fois la vitesse débitante dans le canal (52).. Le dispositif conforme à l'invention présente de nombreux avantages notamment par rapport aux caisses de tête connues à ce jour à haute, normale ou basse concentration. On peut citer: - la répartition uniforme de vitesse dans le jet, quel que soit le dispositif assurant l'arrivée de la pâte dans la caisse, du fait de l'absence de couche limite et de la répartition de la pression d'une manière harmonique dans le sens travers, l'intensité et la longueur d'onde de cette variation harmonique étant parfaitement controlées 1 1 - une suspension homogène, même à haute concentration, grâce à la turbulence calibrée dont la taille des tourbillons est adaptée tout le long d'écoulement de la pâte dans la caisse de tête; - la durée de vie de la turbulence prolongée dans le jet libre du fait de l'intensité de la vorticité des tourbillons, parfaitement contrôlable. De la sorte, ce dispositif peut être utilisé avec succès dans la fabrication des papiers, dans les caisses de tête et également pour le couchage du papier. 1 2 2723599 REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la formation d'un jet plan (J) de suspension liquide, du type comprenant: - des moyens d'alimentation (3) d'une suspension liquide; - des moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence de la suspension alimentée; - des moyens de sortie (4) du jet plan formé (J) caractérisé en ce que les moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence de la suspension alimentée sont formés: d'un premier canal incurvé (15) pour l'écoulement de la suspension; - d'un second canal d'écoulement incurvé (25), coaxial au premier canal (15); des moyens (26) pour former des tourbillons calibrés d'axe parallèle à l'écoulement incurvé, de manière à créer une répartition transversale harmonique des vitesses et des pressions et à contrôler l'échelle et le niveau des tourbillons. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour former des tourbillons calibrés est constitué par un cylindre rotatif (26) coaxial aux deux canaux incurvés (15, 25). 3/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les deux canaux incurvés (15, 25) sont fixés et sont disposes en série. 4/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cylindre rotatif (26) tourne dans le même sens que le sens d'écoulement de la suspension. / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la vitesse périphérique du cylindre rotatif (26) est de trois à quatre fois la vitesse de l'écoulement de la suspension. 6/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la génératrice du cylindre rotatif (26) épouse la forme d'une ligne brisée radiale, choisie dans le groupe comprenant les dents de scie, les créneaux, les arcs de cercle et les sinusoïdes. 7/ Dispositif selon la revendication 6 dans lequel la génératrice du cylindre rotatif (26) épouse la forme d'une sinusoïde radiale caractérisé en ce que la longueur d'onde de ladite sinusoïde est de deux à dix fois la longueur moyenne des fibres de la suspension. 8/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte également des organes déflecteurs disposés entre le cylindre rotatif (26) et les moyens de sortie (4). 9/ Caisse de tête de machine papetière comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. / Installation pour le couchage du papier comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.