Brevet FR2743312A1 — publié le 19970711

"Appareil de flottation" La présente invention concerne un appareil destiné à la séparation de particules solides en suspension dans un milieu fluide en fonction des caractéristiques de flottation des particules. Des cellules de flottation ont été utilisées dans l'industrie pendant de nombreuses années, en particulier dans l'industrie minière où des boues liquides de minerai broyé sont soumises à flottation dans le but de séparer de leur gangue les particules portant le minerai. Dans un traitement par flottation, les bulles et les particules de la boue doivent être mises en contact et les particules présentant un intérêt doivent être sélectivement fixées par les bulles par I1 intermédiaire de forces d'attraction induites par les compositions des bulles et des particules. Dans un traitement par flottation réussi, les particules intéressantes doivent avoir un temps de séjour suffisant sur les bulles pour permettre à la mousse formée par les bulles remontant à la surface de transporter de telles particules à l'extérieur de la cellule.Selon la nature des particules à faire flotter, il est préférable d'utiliser de grandes ou de petites bulles, et une zone de mousse peu profonde ou profonde peut être la mieux adaptée au niveau de la partie supérieure de la cellule. Les dispositifs de flottation habituels sont, d'une manière générale, inefficaces du fait que ceux-ci nécessitent une introduction relativement importante d'énergie pour effectuer la séparation souhaitée. Une flottation habituelle implique l'utilisation d'agitateurs mécaniques pour maintenir les particules en suspension, ainsi que pour aider à la formation de bulles, lesquelles sont principalement engendrées par une admission d'air comprimé. Les conditions d'agitation dans une cellule de flottation habituelle peuvent être telles que le temps de séjour des particules sur les bulles n'est pas optimal ou que le temps nécessaire aux bulles transportant les particules pour sortir du dispositif est excessivement long, ceci pouvant résulter, par exemple, de la présence de courants tourbillonnaires inverses. Ces deux situations aboutissent à un rendement de séparation qui est inacceptable. La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients des dispositifs de la technique antérieure en fournissant un appareil de flottation comportant plusieurs cellules de flottation à travers lesquelles s'écoule de manière séquentielle une boue de particules. De manière préférée, le nombre de cellules contenues dans l'appareil est suffisant pour assurer l'existance d'un mélange minimal à contre courant, et, par conséquent, simuler un écoulement ideal de la boue à travers l'appareil. La présente invention utilise des cellules ayant des parois internes configurées et orientées pour minimiser les turbulences indésirables, c'est-à-dire la formation de courants tourbillonnaires inverses.Chaque cellule comporte une admission pour l'air comprime et un agitateur mécanique qui agit conjointement pour créer un écoulement circulaire vers le haut du fluide en direction de moyens de réception de trop plein. L'action combinée de l'agitateur et de l'air admis permet d'ajuster les dimensions des bulles et le temps de séjour dans la cellule afin d'optimiser la séparation souhaitée. L'appareil est polyvalent et peut être utilisé dans une grande diversité d'applications par flottation. L'appareil peut être constitué d'un réseau linéaire ou circulaire de cellules. En consequence, la présente invention fournit un appareil de flottation comportant un réseau de cellules de flottation qui communiquent en série et permettant un écoulement à partir d'une première cellule d'entrée vers une dernière cellule de sortie. Chaque cellule communique, lorsque celle-ci déborde, avec des moyens de réception de trop plein. Chaque cellule comporte des moyens pour introduire de 1'air comprimé dans une région inférieure de la cellule, et chaque cellule comporte des moyens d'agitation mécanique agissant conjointement avec l'air comprimé introduit pour créer des bulles ayant un profil dimensionnel voulu. Chaque cellule comporte des surfaces latérales et inférieure orientées pour favoriser, en coopération avec les moyens d'agitation et avec l'écoulement d'air comprimé, un écoulement circulaire vers le haut du fluide en direction des moyens de réception de trop plein. On va maintenant décrire la présente invention, à titre d'exemple uniquement, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un mode préféré de réalisation dans lequel les cellules sont agencées sous la forme d'un réseau circulaire, - la figure 2 est une vue de dessus, partiellement arrachée, du dispositif, - la figure 3 est une vue en coupe prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2, - les figures 4 et 5 sont des vues partielles en coupe prises le long des lignes 4-4 et 5-5, respectivement, de la figure 2, - la figure 6 est une vue en perspective de la configuration de la paroi avant d'une cellule du dispositif, - la figure 7 est une vue de dessus, partiellement arrachée, d'un second mode préféré de réalisation dans lequel les cellules sont agencées de manière linéaire, - la figure 8 est une vue en coupe prise le long de la ligne 8-8 de la figure 7, et - la figure 9 est une vue en coupe prise le long de la ligne 9-9 de la figure 7. Le fonctionnement d'un appareil de flottation selon la présente invention va être décrit dans son contexte d'utilisation dans un traitement de désencrage de papier. Comme représenté sur la figure 1, le mode préféré de réalisation de la présente invention comporte un réseau annulaire de cellules de flottation 11 à 16 à travers lesquelles s'écoule de manière séquentielle de la boue. La boue entre dans l'appareil à travers un tuyau d'entree 18 (voir figure 3) situé au niveau de la partie inférieure de la première cellule 11, et, de manière preférée, adjacent à la paroi latérale 21 située entre les cellules 11 et 16. La boue passe à travers les cellules 11 à 16 d'une maniere séquentielle par l'intermédiaire d'ouvertures 32 à 36 définies dans les parois 22 à 26 des cellules.De manière préférée, les ouvertures 32 à 36 sont situées directement au-dessus de la paroi inférieure 39 de l'appareil. Les ouvertures 32 à 36 sont dimensionnées en fonction du débit de boue voulu à travers l'appareil, lequel débit est, de manière préférée, tel qu'il minimise le mélange à contre courant de la boue entre cellules adjacentes. Les ouvertures 32 à 36 sont aussi dimensionnées en fonction de la chute de pression voulue de part et d'autre des cellules de l'appareil. Dans un traitement de désencrage de papier, il est préférable d'avoir une chute minimale de la pression. La boue sort de l'appareil à travers un tuyau de sortie 41 (voir figure 4) s'étendant à partir de la cellule 16. De manière préférée, le tuyau de sortie 41 est situé au niveau de la partie inférieure de la cellule 16 au voisinage de la paroi 21. Il n'existe aucune communication directe en termes d'écoulement entre les cellules 11 et 16, c'est-à-dire que la paroi de cellule 21 ne comporte aucune ouverture. L'homme du métier notera que l'entrée 18 peut être située au niveau d'autres positions, dans la cellule 11, conformément aux buts particuliers du traitement. Selon cet aspect, ainsi que sous d'autres aspects, la configuration de l'appareil de la présente invention est flexible. La flottation est obtenue dans chaque cellule 11 à 16 par l'introduction combinée d'air comprimé dans chaque cellule 11 à 16 et la fourniture d'une agitation mécanique dans chaque cellule 11 à 16. L'air comprimé entre dans chaque cellule 11 à 16 à travers des tuyaux d'entrée d'air 51 à 56 situés au centre de chaque cellule, au voisinage de la paroi inférieure 39 (voir figure 5). Les tuyaux d'entrée d'air 51 à 56 peuvent être équipés de dispositifs de répartition. Un agitateur mécanique 59 est agencé pour chaque cellule 11 à 16 afin d'agir conjointement avec l'air comprimé admis pour engendrer une mousse de flottation dans la boue passant à travers chaque cellule. De manière préférée, chaque agitateur 59 comporte une hélice 61 fixée à un arbre 62 qui est entraîné par un moteur 63.Cette combinaison d'agitation mécanique et d'admission d'air comprime permet le réglage des conditions de formation des bulles à l'intérieur de la boue, de sorte que les dimensions voulues des bulles et la nature voulue de la mousse puissent être obtenue pour fournir des conditions opératoires optimales. L'homme du métier notera que l'agitateur 59 peut être situé au niveau de plusieurs positions différentes dans chaque cellule 11 à 16, et que l'hélice 61 peut agir pour fournir un écoulement de fluide orienté dans le même sens que le sens de déplacement des bulles dirigé vers le haut ou dans le sens contraire. Une nouvelle fois, cette caractéristique est prévue pour garantir une certaine flexibilité, de sorte que des conditions opératoires optimales puissent être obtenues pour l'appareil. La mousse formée dans chaque cellule 11 à 16 déborde au-dessus d'une levure annulaire centrale 67 d'un réceptacle 68 pour mousse, agencé au centre de l'appareil. De manière préférée, le réceptacle central 68 a une forme généralement conique, se rétrécissant jusqu'à un tuyau 69 destiné à transporter le fluide et les matières particulaires déposées dans le réceptacle 68 vers un autre étage du traitement. De manière évidente, la levure annulaire 67 constitue le bord supérieur le plus bas de chacune des parois latérales des cellules 11 à 16, permettant par conséquent à chaque cellule de communiquer, lorsqu'elle déborde, avec le réceptacle central 68.L'homme du métier pourra noter que la vitesse d'écoulement du fluide au-dessus de la lèvre 67 peut varier en modifiant la circonférence de la lèvre 67. Par ailleurs, comme représenté sur les figures 1 et 3, la forme de la levre 67, dans chaque cellule 11 à 16, décrit de manière préféree un V peu profond. Cette forme de V peu profond donne une hauteur irrégulière à la levure 67, de sorte que les différences de niveau du fluide, dues aux différences de pression existant de part et d'autre des cellules de l'appareil, n'empêchent pas la mousse de déborder d'une cellule ayant un niveau de fluide relativement bas.La variation de la hauteur de la lèvre 67 permet aussi d'engendrer d'une manière délibérée dans une cellule située en aval un débordement uniquement au niveau des parties centrales inférieures de la lèvre 67, produisant par conséquent une vitesse de débordement relative supérieure dans cette cellule par comparaison à une cellule dans laquelle le débordement se produit sur toute la longueur de la levure. Dans un traitement de dêsencrage de papier, cette vitesse supérieure de débordement existant en aval, au niveau de la levre 67, fournit un effet de nettoyage supplementaire avantageux sur les fibres de la pâte. Bien que l'écoulement de la boue d'une cellule à l'autre soit induit principalement par la pression du fluide alimenté à travers le tuyau d'entrée 18, l'agitateur 59 et l'air admis agissent conjointement pour créer l'écoulement circulaire dirigé vers le haut 71 (voir figure 3) dans chaque cellule 11 à 16, favorisant par conséquent le débordement de la mousse jusque dans le réceptacle 68. Cet écoulement circulaire dirigé vers le haut 71 est en outre favorisé par la configuration structurelle de chaque cellule. Comme on le voit en particulier sur la figure 3, chaque cellule 11 à 16 comporte de manière preférée des parois avant et arrière inférieures 73 et 74, inclinées vers le bas, qui sont reliées à la partie inférieure 39.Chaque cellule 11 à 16 comporte des parois latérales, verticales, arrière, opposes 81 à 82 (voir figure 2) qui s'étendent depuis une paroi latérale verticale radiale vers les parois arrière 74 et 77. Une orientation préférée consiste pour chaque paroi latérale arrière 81 à 82 à former un angle de l'ordre de 135 degrés avec sa paroi radiale associée 21 à 26. De manière importante, la partie supérieure de la paroi arrière annulaire 77 de chaque cellule 11 à 16 est inclinée vers l'avant en fixant, par exemple, une plaque 95 (voir figure 3) à la paroi 77 et aux parois latérales arrière opposées, en formant un angle aigu vers l'avant. De manière préférée, la plaque 95 est fixée, au niveau de son bord inférieur, à la paroi arrière 77 en étant inclinée vers l'avant de 450 environ.Chaque cellule 11 à 16 comporte deux parois avant 97 et 98 positionnées l'une par rapport à l'autre en formant un angle obtus, et chaque paroi 97 et 98 comporte un bord supérieur s'étendant vers le bas à partir de la jonction avec une paroi latérale radiale jusqu'à la jonction avec la paroi avant adjacente, de sorte qu'une partie supérieure 99 du réceptacle central 68 s'étende dans la cellule (voir figures 1 et 6). La combinaison des surfaces fournies par la configuration de parois décrite dans chaque cellule 11 à 16 aide les agitateurs 59 et l'air comprimé admis à créer un écoulement de fluide circulaire dirigé vers le haut 71 dans chaque cellule 11 à 16, lequel favorise le débordement de la mousse dans le réceptacle central 68. En conjonction avec cet écoulement de fluide circulaire dirigé vers le haut 71, engendré dans chaque cellule 11 à 16, il est fortement souhaitable d'empêcher la formation de courants tourbillonnaires inverses piégeant les bulles et la boue, réduisant par conséquent l'efficacité de la séparation. La combinaison des parois avant 97 à 99 est configurée de manière à empêcher au mieux la formation de tourbillons inverses dans les fluides à l'avant de chaque cellule 11 à 16. L'homme du métier pourra noter que les contours des parois internes des cellules peuvent être modifiés pour renforcer davantage l'écoulement de fluide circulaire dirigé vers le haut 71 voulu dans chaque cellule 11 à 16 et réduire encore plus la formation de tourbillons inverses. Par conséquent, en introduisant des surfaces incurvées à l'intérieur des cellules 11 à 16, il est alors possible d'obtenir de meilleurs rendements. En fonctionnement, la flottation des particules intéressantes dans chaque cellule 11 à 16 s'effectue par le transport régulier des bulles vers le haut à travers chaque cellule et vers le réceptacle central 68. Une couche de mousse est formée au-dessus de la boue dans chaque cellule 11 à 16, et cette couche de mousse est poussée vers le réceptacle central 68 du fait de l'écoulement dynamique du fluide dans chaque cellule. La lèvre supérieure 67 du réceptacle 68 agit comme une raclette pour séparer régulièrement la mousse de la boue sous-jacente. La forme en V préférée de la lèvre 67, dans chaque cellule 11 à 16, fournit une hauteur variable pour le débordement de la mousse dans le réceptacle 68.Comme mentionné, cette lèvre de hauteur variable, se rétrécissant de manière préférée vers le bas jusqu'à son milieu, fournit à l'appareil un degré élevé de flexibilité pour les conditions de traitement. L'homme du métier pourra noter que la structure et le fonctionnement décrits de chaque cellule de flottation permettent de surmonter les problèmes inhérents aux dispositifs de la technique antérieure et fournissent des avantages évidents sur la technique antérieure. Le mode de réalisation décrit en référence aux figures 1 à 6 comporte six cellules, mais le nombre de cellules contenues dans un appareil de la présente invention dépend dans une certaine mesure de l'application à laquelle l'appareil est destiné. Fondamentalement, un nombre suffisant de cellules doit être agencé dans le dispositif pour réduire à un niveau satisfaisant un mélange à contre-courant entre les cellules. Avec six cellules ou plus, il est possible d'approcher l'écoulement théorique idéal à travers l'appareil. En clair, la simulation d'un écoulement idéal de fluide à travers l'appareil constitue une caractéristique fortement souhaitable du fait que celleci agit directement sur l'efficacité globale de flottation du dispositif. L'appareil de flottation de la présente invention est particulièrement utile dans un traitement tel que de dêsencrage de papier à des fins de recyclage dans lequel la trituration initiale des papiers mélangés entraîne la production d'une boue de fibres de papier et de matières particulaires flottables comportant des particules d'encre grossières et autres particules grossières de faible densité telles que des matières plastiques. L'appareil est capable de fournir un débit important de mousse à grosses bulles vers le réceptacle central 68. La combinaison d'air comprimé et d'agitation mécanique à écoulement vers le haut tel que décrit précédemment fournit des moyens pour engendrer de manière efficace la mousse à grosses bulles voulue, c'est-à-dire en utilisant de manière acceptable une faible puissance motrice.L'appareil permet à l'opérateur de commander les dimensions des bulles de la mousse ainsi que la hauteur de mousse, et de commander la répartition des rejets vers le réceptacle central de débordement 68, en fonction des quantités acceptées à travers l'orifice de sortie 41. De manière importante, la flottation à l'intérieur de chaque cellule 11 à 16 s'effectue à un faible niveau acceptable de turbulence, c'est-à-dire de courants tourbillonnaires inverses, de sorte que l'enlèvement voulu de particules grossières est effectivement obtenu lorsque la boue se déplace à travers l'appareil. Bien que le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 6 ait un réseau annulaire de cellules de flottation, la présente invention comporte un dispositif dans lequel les cellules sont reliées en série selon une autre configuration géométrique. Le mode de réalisation annulaire décrit est considéré comme étant particulièrement commode et économique pour la plupart des applications, cependant, à titre de représentation supplementaire de la présente invention, un dispositif est représenté sur les figures 7 à 9, dans lequel plusieurs cellules 111 à 115 sont agencées de manière linéaire. Des parois internes 121 à 124 comportent des ouvertures 131 à 134 au niveau de la partie inférieure 139 de l'appareil, lesquelles permettent un écoulement entre les cellules adjacentes. La boue est introduite dans l'appareil à travers une entrée 118 formée dans la première cellule 11 et le fluide sort de l'appareil à travers une sortie 141 formée dans la cellule finale 115. De l'air comprime est envoyé vers chaque cellule 111 à 115 à travers des entrées 151 à 155 situées dans la région inférieure de chaque cellule, de manière préférée à travers la paroi arrière 177 adjacente à la partie inférieure 139 du dispositif. Un agitateur mécanique 159 est agencé dans chaque cellule 111 à 115 (voir figure 9). De manière préférée, chaque agitateur 159 comporte une hélice 161, fixée à un arbre 162 qui est entraîné par un moteur 163. L'agitateur 159 et l'air comprimé admis agissent conjointement pour créer des bulles et engendrer un écoulement circulaire dirigé vers le haut du fluide 171, comme décrit ci-dessus. La mousse formée dans chaque cellule 111 à 115 déborde au-dessus du bord supérieur avant 167 de chaque cellule jusque dans un réceptacle 168 pour mousse qui se rétrécit vers le bas jusqu'à un tuyau 169 destiné au transport des matières déposées vers un autre étage de traitement. Comme décrit précédemment, les parois internes de chaque cellule 111 à 115 sont orientées et configurées pour empêcher la formation de courants tourbillonnaires inverses, et par conséquent pour favoriser l'écoulement régulier des bulles vers le haut à travers la cellule et en direction du réceptacle 168 pour mousse. Par conséquent, les coins de chaque cellule sont munis d'éléments verticaux formant chanfreins 173 à 176. De manière analogue, la partie supérieure de la paroi arrière 177 est munie d'un élément transversal 195 incliné vers le haut et vers l'extérieur pour favoriser l'écoulement circulaire voulu 171 dirigé vers le haut. Compte tenu de ce qui précède, on peut noter que la présente invention possède un degré élevé de polyvalence et peut être adaptée à une grande diversité d'applications. Par conséquent, la description faite ici n'est nullement destinée à limiter la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de flottation destiné à la séparation de particules solides en suspension sous la forme d'une boue dans un milieu fluide, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau annulaire de cellules de flottation (11 à 16; 111 à 115) qui communiquent en série et permettent un écoulement de fluide depuis une première cellule d'entree (11; 111) jusqu'à une cellule finale de sortie (16; 115), de sorte qu'une boue de particules puisse s'écouler de manière séquentielle à travers l'appareil, la première cellule (11; 111) ayant des moyens d'entrée de fluide (18; 118) destinés à l'introduction d'une boue d'alimentation contenant des particules flottables dans l'appareil et la cellule finale (16; 115) comportant des moyens de sortie de fluide (41; 141) destinés à laisser la boue traite sortir de l'appareil, des moyens de réception de trop plein (68; 168) positionnés au centre du réseau annulaire de cellules et qui communiquent par débordement avec chaque cellule pour accepter une mousse chargée de particules engendrée dans chaque cellule, des moyens d'entrée d'air (51 à 56; 151 à 155) positionnés dans une région inférieure de chaque cellule pour l'introduction d'air comprimé dans chaque cellule, des moyens d'agitation mécanique (59; 159) pour chaque cellule, et des surfaces internes positionnées dans chaque cellule qui sont configurées et orientées pour fournir en association avec l'air comprimé admis et l'agitation mécanique un écoulement circulaire dirigé vers le haut du fluide dans chaque cellule en direction des moyens de réception de trop plein (68; 168). 2. Appareil de flottation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte six cellules (11 à 16) de flottation. 3. Appareil de flottation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la communication entre des cellules adjacentes s'effectue par l'intermédiaire d'une ouverture (32 à 36; 131 à 134) definie dans chaque paroi commune à des cellules adjacentes. 4. Appareil de flottation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ouvertures (32 à 36; 131 à 134) sont situées dans une partie inférieure de ladite paroi commune. 5. Appareil de flottation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'agitation mécanique (59; 159) comportent une hélice (61; 161) fixée à un arbre (62; 162) qui est entraîné par un moteur. 6. Appareil de flottation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'agitation mécanique (59; 159) sont positionnés de manière excentrée à l'intérieur de chaque cellule. 7. Appareil de flottation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'agitation mécanique (59; 159) sont positionnés audessus des moyens d'entrée d'air (51 à 56; 151 à 155). 8. Appareil de flottation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces internes de chaque cellule (111 à 115) comportent des éléments formant chanfreins (175 à 176) dirigés vers le haut, agencés au niveau des coins. 9. Appareil de flottation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces internes de chaque cellule (111 à 115) comportent une paroi arriere (177) ayant un élément transversal (195) incliné vers l'extérieur et vers le haut s'étendant à partir de sa partie supérieure.