Brevet FR2730174A1 — publié le 19960809

La présente invention a trait à un procédé et son dispositif pour la fabrication de particules solides à partir d'un liquide et la séparation de particules solides contenues dans un bain de liquide réfrigérant. Le procédé de fabrication et de séparation de particules solides est destiné par exemple à l'obtention de billes de glace pour le nettoyage de surface par projection des particules, ou à la constitution de produits solides à partir de mélange acqueux. Enfin le procédé de fabrication et de séparation est prévu pour obtenir des particules solides à partir de liquides dont la chaleur latente de solidification est inférieure à celle de l'eau pur. On connaît, d'après le brevet français 2 630 668, un procédé et un dispositif de fabrication de billes de glace pour les traitements de surface. Le procédé consiste à disperser par gravité un spectre de gouttelettes d'eau dans une colonne de gaz froid, pour que les gouttelettes d'eau traversent par gravité ladite colonne de gaz froid et se refroidissent pour se solidifier superficiellement avant de tomber dans un bain de liquide réfrigérant ou elles se solidifient entièrement sous forme de billes de glace. Le dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé comprend une colonne d'échange alimentée en gaz froid et en gouttelettes d'eau qui sont régulièrement réparties par L'intermédiaire d'un injecteur pour créer un spectre de gouttelettes.Le dispositif comprend également un réceptacle solidaire de la colonne d'échange comportant une rampe pour amener le liquide réfrigérant, un cône de reception des billes de glaces et un orifice d'évacuation des billes de glace au fond du cône. Le réceptacle présente une forme cylindro-conique dans lequel est introduit un liquide réfrigérant tel que de l'azote liquide en vue de solidifier entièrement les gouttelettes d'eau qui le traversent. On remarque, lorsque les gouttes d'eau partiellement solidifiées abordent à la fin de leur chute libre la surface du liquide réfrigérant, un phénomène de caléfaction dû à l'évaporation de l'azote liquide. Le phénomène de caléfaction retient chaque bille de glace en sustentation jusqu'à ce qu'elle ait atteint la température de l'azote gazeux provenant du changement de phase de l'azote liquide. On constate que c'est seulement après la solidification complète de La bille de glace que celle-ci entame sa descente par gravité jusqu'au bas du réceptacle cylindro-conique. Le phénomène de caléfaction provoque égaLement un taux d'occupation élevé à la surface du bain d'azote liquide, risquant de constituer soit des billes hors calibre, soit des agglomérats gênant fortement la fabrication des billes de glace et L'extraction de ces dernières au niveau de la vis d'Archimède. On note un second phénomène gênant dans la fabrication des billes de glace qui est induit par la faible différence de masse volumique entre la glace à - 1960 et celle de l'azote liquide, soit respectivement environ 0,850 et 0,8068. La faible différence de masse volumique influe sur la dynamique de descente par gravité des billes de glace, d'où une forte tendance à la constitution d'agglomérats au niveau de la surface du bain d'azote liquide. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier la présente invention. Le procédé pour la fabrication et L'extraction de particules solides en forme de billes consiste à disperser par gravité un spectre de gouttelettes de particules dans une colonne de gaz froid, pour que les gouttelettes traversent par gravité ladite colonne de gaz froid et se refroidissent pour se solidifier superficiellement avant de tomber dans un bain de liquide réfrigérant, à déplacer le bain de liquide réfrigérant dans un mouvement lent suivant le sens d'un vortex pour accélérer la descente des gouttelettes de particules pour qu'elles se solidifient entièrement sous la forme de billes, et à extraire en continu les billes de particules solides en dehors du bain de liquide réfrigérant. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comporte une colonne d'échange, un réceptacle dont le profil interne présente la forme d'un cône asymétrique à l'intérieur duquel est disposé une pale d'un agitateur permettant de déplacer le bain de liquide réfrigérant dans un mouvement lent tandis que le fond du cône est asymétrique contenant le liquide réfrigérant pourvu d'un orifice qui communique avec une tubulure dans laquelle est entraînée une vis d'Archimède pour l'évacuation en continu des billes de particules solidifiées. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 est une vue en perspective illustrant le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication et d'extraction de particules solides suivant l'invention. Fig. 2 est une coupe schématique représentant le réceptacle du dispositif de fabrication d'extraction de particules solides. Fig. 3 est une vue de dessus suivant III-III de fig. 2 mon trant le profil en forme de cône asymétrique du réceptacle. On a représenté en fig. 1 un dispositif de fabrication et d'extraction 1 de particules solides comportant une colonne d'échange 2 solidaire dans sa partie inférieure d'un réceptacle 3 qui vient prendre appui au moyen d'équerres 3a sur un châssis non représenté. L'ensemble du dispositif 1 est réalisé en acier inoxydable enveloppé dans un matériau isolant 4 tel que du polyuréthane représenté en traits mixtes. La colonne d'échange 2 est conforme à celle décrite dans le brevet français 2 630 668 de sorte qu'elle comprend du côté de son extrémite supérieure, c'est-à-dire à l'opposé du réceptacle 3 l'arrivée d'un injecteur 2a. Cet injecteur est muni d'un grand nombre de trous par lesquels se forme le spectre de gouttelettes destiné à produire les billes de particules solides. Le diamètre des gouttelettes de particules peut être ajuste en fonction du diamètre de perçage des trous. La colonne d'échange 2 supporte également un agitateur 5 dont L'axe 5a est solidaire d'une pale 5b qui est placée à l'intérieur du réceptacle 3. Le réceptacle 3 possède une rampe 3b disposée juste en dessous du niveau de fixation de la colonne d'échange 2 pour amener le liquide réfrigérant à l'intérieur du dispositif 1. Ladite rampe 3b est percée d'une multitude de trous pour diffuser le liquide réfrigérant qui est constitue par exemple d'azote liquide. On note que la rampe 3b présente La forme d'un C pour constituer à l'intérieur du réceptable 3 un passage pour l'arbre d'entrainement 5a de l'agitateur 5 (fig. 2 et 3). Le réceptacle 3 présente dans sa partie supérieure un profil cylindrique 3c prolongeant la colonne d'échange 2 et à l'intérieur de laquelle est placée la rampe d'injection 3b. Le profil cylindrique 3c se prolonge pour former la partie inférieure du réceptacle 3 par un cône asymétrique 3d (fig. 2). Le cône asymétrique 3d est constitué d'un assemblage de parois inclinées qui sont conformées pour réaliser deux zones distinctes d'inclinaisons progressives et différentes. La première zone 3e comprend plusieurs parois assemblées les unes aux autres dont l'une au moins extrême 3f est inclinée d'un angle compris entre 40 et 450 par rapport à l'axe vertical du cône 3d. Par contre, la seconde zone 39 prolongeant la première comprend plusieurs parois dont l'une au moins extrême 3t est inclinée d'un angle compris entre 5 et 100 par rapport à l'axe vertical du cône 3d (fig. 2 et 3). On note que la variation de l'inclinaison des parois constituant La première zone 3e doit être suffisante pour permettre la mise en place de la pale 5b de l'agitateur 5. Le cône asymétrique 3g comporte dans sa partie inférieure un orifice 3i situé à proximité de la paroi 3h de la seconde zone 39, c'est-àdire décalée latéralement par rapport aux axes principaux repérant la base la plus large du cône 3g. L'orifice 3i débouche dans une tubulure inclinée 3i s'étendant en direction du haut et dans laquelle est entraînée en rotation une vis d'Archirnède 6a d'un dispositif d'extraction 6 pour l'évacuation en continu des particules solides se trouvant dans le fond du cône asymétrique 3g. La tubulure 3i comporte dans sa partie supérieure un bec verseur 3k à profil cylindrique pour l'évacuation des billes de particules solides à l'intérieur d'un container étanche pour la conservation des billes. On constate que la tubulure 3i est disposée dans un plan vertical sensiblement perpendiculaire à celui contenant l'arbre d'entrainement 5a de l'agitateur 5. Le fonctionnement du dispositif de fabrication des particules solides est identique à celui décrit dans le brevet français 2 630 668. En effet, L'injecteur 2a disperse en haut de la colonne d'échange 2 un spectre de gouttelettes de particules liquides tombant par gravité dans la colonne d'échange. Au contact direct du gaz froid les gouttelettes se congèlent partiellement. Elles chutent par gravité dans la colonne d'échange 2 et tombent ainsi dans le bain de liquide réfrigérant se trouvant dans le cône asymétrique 3g du réceptacle 3 ou elles se solidifient complètement. La pale large et plate 5b de l'agitateur 5 provoque un mouvement lent du bain d'azote liquide dans le sens d'un vortex. Ce mouvement associe à la forme du cône asymétrique 3g permet de créer une vague dont Les forces sont dirigées vers le bas. L'orifice 3i est positionné par rapport au point de convergence des forces mentionnées ci-dessus pour accélérer l'extraction des particules solides se trouvant au fond du cône 3d au moyen du dispositif 6. On note que la vitesse de rotation qui est lente et assez précise de La pale 5b, évite une brisure turbulente de la vague contre les parois du cône asymétrique 3d. Dans ces conditions, on constate que la consommation d'azote liquide est très proche de celle théorique. On remarque que les particules solides traversent le bain d'azote liquide de façon tout à fait satisfaisante sans créer d'engorgement au niveau de la surface dudit bain d'azote liquide. En effet, des que les particules en cours de solidification arrivent à la surface du bain d'azote, ces dernières sont directement entrainées par l'effet de vague dudit bain pour qu'elles traversent celui-ci jusqu' l'orifice 3i du cône asymétrique 3. On note que les particules solides peuvent être constituées à partir de tout mélange acqueux de tout liquide dont la chaleur latente de solidification est inférieure à celle de l'eau pur. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnee qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'execution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D l~C~~~T~I~~~N~S 1. Procédé pour la fabrication et l'extraction de particules solides en forme de billes, caractérisé en ce qu'il consiste à disperser par gravité un spectre de gouttelettes de particules dans une colonne de gaz froid pour que les gouttelettes traversent par gravité ladite colonne de gaz froid, et se refroidissent pour se solidifier superficiellement avant de tomber dans un bain de liquide réfrigérant, à déplacer le bain de liquide réfrigérant dans un mouvement lent suivant le sens d'un vortex pour permettre la descente des gouttelettes de particules pour qu'elles se solidifient entièrement sous une forme de billes et à extraire en continu les billes du bain de liquide réfrigérant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide réfrigérant est constitué d'azote liquide. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules solides sont constituées à partir d'un mélange acqueux ou tout liquide dont la chaleur latente de solidification est inférieur à celle de l'eau. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé du genre comprenant une colonne d'échange alimentéeen gaz froid, un injecteur de particules solidifier et un réceptacle supportant la colonne et dont l'extrémité inférieure comporte un orifice d'évacuation des particules solidifees en forme de billes, caractérisé en ce que le profil interne du réceptacle (3) présente la forme d'un cône asymétrique (3d) à l'intérieur duquel est disposée une pale (5b) d'un agitateur (5) pour déplacer dans un mouvement lent le bain de liquide réfrigérant contenu dans le réceptacle (3) tandis qu'au fond du cône (3g) est prévu un orifice (3i) qui communique avec une tubulure (31) dans laquelle est entrainée en rotation une vis d'Archimede (6a) d'un dispositif d'extraction (6) pour l'évacuation en continu des particules solides. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le réceptacle (3) présente une partie supérieure cylindrique (3c) qui se prolonge dans la partie inférieure dudit réceptacle par un cône asymétrique (3d). 6. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que Le cône asymétrique (3b) comporte deux zones distinctes (3e et 39) d'inclinaisons différentes. 7. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la première zone (3e) comporte un assemblage de parois dont l'une au moins extrême (3f) est inclinée d'un angle compris entre 40 et 450 par rapport à l'axe vertical du cône asymétrique (3d). 8. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde zone (3b) comporte un assemblage de parois dont l'une au moins extrême (3h) est inclinée d'un angle compris entre 5 et 100 par rapport à l'axe vertical du cône asymétrique (3d). 9. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le cône asymétrique (3) comporte un orifice (3i) qui est décalé par rapport aux axes principaux repérant la base la plus large du cône asymétrique (3) pour se trouver à proximité de la paroi extrême (3t) de la seconde zone (39). 10. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'orifice (31) communique avec une tubulure (3i) s'étendant en direction du haut de manière inclinée par rapport au réceptacle (3). 11. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la tubulure (3i) se trouve dans un plan vertical perpendiculaire à celui contenant l'agitateur (5). 12. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le réceptacle (3) comporte dans sa partie supérieure cylindrique (3c) une rampe d'alimentation (3b) en forme de C pour constituer un passage pour l'arbre (5a) de l'agitateur (5). 13. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la pale (5b) de l'agitateur (5) est partiellement introduite à L'intérieur du bain d'azote liquide contenu à l'intérieur du cône asymétrique (3d). 14. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la pale (5b) de l'agitateur (5) est placée dans la première zone (3e) du cône asymétrique (3) c'est-à-dire au niveau où la paroi extrême (3f) est la plus inclinée.