Brevet FR2767719A1 — publié le 19990305

Turbine pour mélangeur liquide(s) I solide(s) rotatif, en continu, à oeil ouvert La présente invention concerne le secteur technique du mélange de liquides entre eux ou de liquide(s) et de solide(s) pulvérulent(s). Ce mélangeur trouve des applications nombreuses dans l'industrie pétrolière et parapétrolière, des mines, des travaux publics ( tunnels et analogues ), et dans de nombreuses autres applications de mélange en continu, notamment en chimie industrielle. Le mélange de poudre(s) avec un ou des liquide(s) est caractérisé par l'impératif qui consiste à désagglomérer les particules les unes d'avec les autres et à éliminer l'air. Pour désagglomérer les particules, on considère qu'il est nécessaire d'impliquer des tourbillons d'une dimension comparable à celle des particules en cause, ce qui implique un très haut degré de turbulence, en particulier pour les particules les plus fines. Par ailleurs, un volume donné de particules entraîne un volume d'air supérieur au volume des particules. II est ensuite nécessaire de séparer cet air du mélange, généralement grâce à l'effet de gravité. Un degré élevé de turbulence étant contre-productif en ce qui concerne l'élimination de l'air, de nombreux mélangeurs ou systèmes de mélange séparent la phase de désagglomération de la phase de désaération. Une classe connue de mélangeurs met en oeuvre un corps ou une masse de fluide en rotation rapide, avec un " oeil " central clairement défini. Un "oeil" est une surface libre entre liquide et gaz, d'une forme plus ou moins circulaire ( cylindrique ) obtenue par la mise en rotation d'un mélange comportant au moins un liquide, et par lequel l'air (le gaz s'échappe. Une bonne conception permet obtenir un haut degré de turbulence, et simultanément un fort degré d'accélération centrifuge qui favorise la désaération. Un groupe de tels mélangeurs est défini par la création d'un oeil par un équilibre entre les forces centrifuges d'une part et gravitationnelles d'autre part. Un exemple très simple réside dans le mélange de colle pour papier peint où l'on confère à l'eau un mouvement circulaire pour créer un tourbillon où l'on verse la pâte sous forme de poudre sèche. D'autres exemples sont décrits dans les brevets US A 4,099,005 et US A 3,994,480. En pratique, ces mélangeurs sont limités en termes de vélocité du fluide et donc en termes de niveau de turbulence en raison du besoin qu'il y a à maintenir un équilibre entre les forces centrifuges et gravitationnelles. La dimension et la forme de l'oeil sont donc hautement dépendantes des conditions opératoires exactes. le volume de mélange n'est pas constant. Un autre groupe de mélangeurs est caractérisé par un équilibre de pressions dans l'appareil. Le premier mélangeur conçu selon ce principe est sans doute celui décrit par Zingg dans le brevet US A 3,326,536. Selon ce document vieux d'environ trente ans, on génère un oeil à pression atmosphérique par rotation d'un " impeller"(turbine ) travaillant contre une pression créée par un autre impeller, moins puissant. En pratique, les deux impellers sont montés dos à dos dans un corps unique bien que le brevet précité mentionne également la possibilité d'employer deux corps séparés. Le laitier ou " slurry " ainsi préparé est délivré sous pression par un orifice de sortie ménagé sur le pourtour extérieur du corps. Le débit est régulé au niveau de cette sortie. On contrôle également le débit de solides dans l'oeil. En raison de l'équilibre hydrodynamique entre les deux turbines ou " impellers ", la machine aspire le liquide qui est nécessaire pour maintenir l'oeil atmosphérique à un diamètre sensiblement constant. Cet appareil ne prend pas en compte le problème de l'air entraîné, même si l'on peut considérer que cet appareil travaille, plus ou moins sensiblement, à volume constant. Une amélioration a été réalisée par l'introduction de turbines créant un " vortex " comme selon le brevet US A 4,453,829 ( Althouse ), qui comprend également un dispositif pour l'élimination de l'air, ou par l'introduction d'une entrée annulaire du liquide selon le brevet EP A 0445 875 ( Althouse et Hitt ), qui permet de mélanger des concentrations plus élevées de produits en introduisant les solides et le liquide dans la même zone de l'appareil, produisant ainsi une concentration plus homogène de solides dans tout le volume dédié au mélange. Une limitation de ces machines réside dans le besoin de réguler le débit de sortie du laitier ou " slurry " de mélange. Aux fortes concentrations, les propriétés du slurry telles que la viscosité sont très dépendantes de la concentration en solides. Le système de régulation du débit devient instable en raison de la sensibilité aussi bien du mélangeur que du système de régulation de débit de sortie vis à vis des propriétés du slurry. On connaît encore un autre mélangeur dans lequel l'oeil est créé par un équilibre de la pression et de l'accélération centrifuge ( US A 4,239,396 Arribau et WO 81/ 03743 ). Cependant, dans cet appareil, la position de l'oeil n'est pas clairement définie et aucune suggestion n'est faite pour éliminer l'air. II existe donc un besoin d'un appareil du type comportant un oeil, de régulation efficace et simple, et de conception aussi simple et fiable que possible. L'invention, dans son concept général, concerne une turbine pour la mise en rotation d'un mélange de poudre(s) et de liquide(s) ou de gel(s) dans un mélangeur, caractérisée en ce qu'elle comprend des pales étroites ou un fil en spirale de manière à autoriser un glissement de la vitesse de rotation des pales de environ 2 - 4 à environ 1 par rapport à la vitesse de rotation du mélange. L'invention s'applique notamment à un mélangeur liquide(s) / solide(s), rotatif, en continu, du type comportant des moyens pour la mise en rotation du mélange, dans un corps 3 cylindrique comportant une surface ou partie "supérieure" et un "fond", pour former un oeil central délimité par une surface libre 5 de rotation, caractérisé en ce que l'oeil est mis en communication avec l'atmosphère ou autre évent se trouvant sous une pression quelconque, ( ci-après, " oeil ouvert" ) et en ce que le diamètre de l'oeil est déterminé par des moyens mécaniques statiques. Le diamètre de l'oeil est sensiblement indépendant de la variation de la pression régnant dans l'évent de l'oeil. On notera que les liquides incluent expressément les fluides visqueux, les gels et substances analogues. On notera également que le mélangeur peut en général fonctionner sous un angle quelconque par conséquent les notions de " partie supérieur" ou de " fond ", et notions analogues qui sont définies par rapport à un positionnement vertical, ne sont aucunement limitatives et indiquent seulement la position relative des éléments en cause. Selon une réalisation particulière, le mélangeur est caractérisé en ce que lesdits moyens mécaniques consistent en un système à débordement du mélange. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on propose d'appliquer l'invention à un mélangeur rotatif dont l'oeil est clairement délimité par une bordure circulaire de débordement. Cette disposition est extrêmement simple et génère un oeil de grande stabilité. Par ailleurs, cette géométrie permet de ne contrôler que les débits d'entrée et de ne pas contrôler le débit de sortie. Cette caractéristique est tout à fait importante pour le mélange de laitiers abrasifs comme par exemple de laitiers de ciment, et de sable. Cette propriété est également importante en termes de contrôle de procédé, car les variations du mélange n'ont pas d'effet sur les débits régulés. Par ailleurs, il n'existe pas d'équilibre de pression réalisée au niveau du fluide d'entrée. Ceci permet une grande liberté dans le choix de la technique d'alimentation du fluide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente une vue en coupe schématique d'un mélangeur auquel l'invention peut s'appliquer la figure 2, qui se compose des figures 2a, 2b et 2c, représente des modes de réalisation de pales pour désagrégation des grumeaux. Sur les dessins annexés, les mêmes références ont la même signification, qui est la suivante 1 pales 2 moteur d'entraînement des pales 3 corps cylindrique du mélangeur 4, 4' conduit(s) d'introduction de fluide(s) et/ou liquide(s) 5 surface libre de l'oeil, resp. du second oeil 6 première, resp. seconde, bordure circulaire de débordement 7 chambre cylindrique de récupération des produits mélangés, ci-après " chambre de débordement " 8 conduit de sortie du mélange 9 chambre de mélange, resp. seconde chambre de mélange 12 disque 13 arbre du moteur 14,16 pales en forme de palettes ou barres 1 7 fil disposé en spirale 18 perforations ménagées dans le disque 20 partie "supérieure" du corps 3 du mélangeur 25 cloison 30 "fond" du mélangeur 31 support 32 disque de rétention Comme représenté sur la figure 1, le principe de l'invention repose sur un concept général de limitation mécanique du diamètre de l'oeil. En effet, dans cette première variante d'application de l'invention, le mélangeur est caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de mélange 9 dont le fond est constitué par le fond 30 du corps, et dont la partie supérieure est formée par une cloison 25 parallèle aux pales 1 et comportant une ouverture circulaire en son centre, ou "évent", délimitée par une bordure 6 de débordement. De manière générale, on verra que l'oeil est délimité par une bordure circulaire de débordement 6 qui délimite en leur centre la cloison 25 ou la partie dite "supérieure" 20 pour former l'évent de l'oeil. Le corps cylindrique du mélangeur est donc formé d'une chambre de mélange 9 dans laquelle des pales 1 sont mises en rotation par le moteur 2. Le(s) fluide(s) sont introduits par la (les) tubulure(s) 4. La mise en rotation de la masse fluide provoque la formation d'un oeil dont la surface libre 5 va se rapprocher progressivement du centre du cylindre au fur et à mesure de l'introduction de fluide. Cependant, dans cette première variante, une caractéristique essentielle de l'invention est que le corps du mélangeur comporte une seconde chambre 7, dite chambre de débordement, superposée à la chambre de mélange. Dans cette chambre de débordement 7 s'ouvre un conduit de sortie pour le mélange préparé dans le mélangeur. Lorsque, par l'addition continue de fluide, la surface libre 5 de l'oeil atteint le rebord 6 qui sépare les deux chambres, il n'est plus possible pour cette surface de progresser car le surplus de mélange va déborder dans la chambre 7 et de là s'échapper par le conduit 8. Ainsi, I'oeil est automatiquement régulé puisque, inversement, le diamètre de l'oeil ne peut pas augmenter même en cas de diminution du débit d'entrée de fluide. Ainsi, le volume où se produit le mélange est toujours constant même si le débit d'entrée varie en plus ou en moins. On notera que la partie 20 dite "supérieure" du corps et le "fond" 30 du mélangeur correspondent à des conventions de désignation. En effet, le mélangeur peut fonctionner verticalement ou sous un angle quelconque, y compris horizontalement. Les mélangeurs auxquels s'applique l'invention peuvent, sauf disposition spéciale, fonctionner sous un angle quelconque en fonction notamment de l'adaptation aux impératifs du chantier prévu ( contraintes d'encombrement, matériel existant, etc.. Selon une variante de l'invention, non représentée, une partie ou la totalité de l'énergie nécessaire au maintien du mouvement du volume de fluide en rotation peut être apportée par l'énergie d'un liquide introduit par une arrivée tangentielle de haute vélocité au niveau de la chambre de mélange 9. La zone de mélange initial a été représentée sous la chambre 9 car il s'agit de la disposition la plus simple ; cependant, cette zone pourra être placée à un autre endroit, par exemple au-dessus de la chambre 9, I'introduction se faisant par un conduit du type 4 tel que représenté sur la Figure 1, ou bien encore latéralement ou de manière concentrique. Selon encore une autre variante, le liquide peut être introduit tangentiellement ou non par l'intérieur de la paroi ( de préférence latérale ) du corps 3, par une tubulure ( ou plusieurs pour répartir l'entrée ) ménagée dans cette paroi, et où le fluide est amené sous une pression suffisante pour qu'il pénètre dans le volume de mélange se trouvant en rotation dans la chambre 9. Le mélangeur selon l'invention peut être utilisé pour mélanger seulement des liquides, ou bien un ou plusieurs liquides ( ou des gels etc.. ) avec un ou plusieurs solides. L'homme de métier saura placer les tubes d'introduction qui seront nécessaires. II en résulte un oeil plus stable, indépendant de la pression dans l'évent, et utile dans une plus large gamme de conditions de mélange. Un autre avantage de l'invention est de se contenter de réguler les débits d'entrée, tandis que le débit de sortie n'a pas à être régulé. Selon l'invention on a cherché à améliorer les performances des pales. Dans l'art antérieur, on a utilisé des pales ou des turbines (impellers ) dont la fonction principale est de réaliser une mise en rotation efficace du mélange. Par " efficace " on désigne une mise en rotation où la vitesse du mélange est aussi proche que possible de la vitesse de rotation des pales. Cependant, selon l'invention, on a cherché à utiliser des pales dont la fonction principale n'est plus d'être efficace pour la mise en rotation, c'est-à-dire n'est plus de réaliser un bon accouplement avec le fluide. On utilise selon cette variante des pales dont la fonction principale est de détruire les grumeaux ou agglomérats qui se forment souvent lors du mélange de poudres et de liquides. Entre autres inconvénients, ces grumeaux sont responsable d'un mauvais mélange et de l'entraînement d'air au sein du mélange, I'air étant enfermé dans le grumeau. Ce problème est bien connu. Un art antérieur a cherché semble-t-il à le résoudre par un effet de dépression au niveau de l'oeil et / ou par une grande puissance de rotation (selon les travaux du mathématicien russe Kolmogoroff sur la turbulence ), mais aucun art antérieur n'a songé à utiliser l'action des pales. Selon l'invention, on utilise des pales très étroites telles que représentées sur les figures 2a, 2b et 2c . Selon le mode de réalisation particulier représenté, le moteur 2 entraîne un arbre 13 sur lequel est monté un disque 12. Ce disque présente de préférence des passages ou perforations 18 pour équilibrer la pression de l'air ( du gaz ) de chaque côté ou sur les deux faces du disque. De manière originale, le disque porte sur son pourtour un nombre adapté ou pales étroites. Une façon préférée de réaliser ces pales est représenté sur la figure 2a où le disque est simplement découpé et forme des pales étroites 14. Il existe d'autres façons de réaliser les pales étroites selon l'invention, par exemple en forme de barres ou barrettes 16 ( figure 2 b ) ou à l'aide d'un fil 17 monté en spirale sur un support 31 terminé par une pièce de rétention, notamment un disque 32 de rétention, cf. figure 2c. De telles barres sont efficaces pour la désagrégation des grumeaux. On pense que leur efficacité vient de ce que la cascade de tourbillons commence à une taille plus faible et donc de ce que moins d'énergie est perdue dans des tourbillons de dimension plus importante que la taille des particules (grumeaux ). Un exemple pratique d'application où de telles pales étroites sont recommandées est le mélange d'eau et de ciment. Dans ce cas les particules fines ( de l'ordre de 20 microns ) doivent être désagglomérées. Des pales fines avec un rapport de vitesse entre les pales et le mélange en rotation compris entre 2 et 4 à 1 sont préconisées. L'invention concerne donc un nouveau concept de turbine pour la mise en rotation d'un mélange de poudre(s) et de liquide(s) ou de gel(s) dans un mélangeur, caractérisée en ce qu'elle comprend des pales étroites telles que définies ci-dessus ( y compris la variante en fil spirale ), de manière à autoriser un glissement de la vitesse de rotation des barres de environ 2 - 4 à environ 1 par rapport à la vitesse de rotation du mélange, ainsi que les mélangeurs rotatifs équipés de cette turbine. Un exemple où de telles pales étroites ne seront pas préconisées est le mélange de "gel" ( de polymère ) et d'agent de soutènement ("propping agent") dans l'industrie parapétrolière, pour la stimulation des puits pétroliers. Dans ce cas en effet, les particules sont de dimensions plus grandes (quelques mm) et ont moins tendance à former des grumeaux. De plus, un cisaillement excessif pourrait endommager le gel. On utilisera donc dans un tel cas des pales à "bon accouplement " avec un rapport de vitesse entre les pales et le mélange se trouvant entre 1,2 - 2 et 1, en utilisant une vitesse modeste de turbine. L'invention s'applique aux techniques de mélange couramment utilisées dans l'industrie pétrolière et parapétrolière, comme les mélanges de poudre de ciment pétrolier et d'eau de mélange, pour la cimentation des puits, ou la stimulation des puits ( mélanges de gel et d'agent de soutènement ) ou pour les mélanges de boues (eau ou huile diesel et bentonite et /ou baryte et/ou hématite et/ou polymères ), ou pour les mélanges de polymères notamment pour la récupération assistée du pétrole, ainsi que pour les mélanges de ciment et d'eau et d'additifs pour le " grouting "( consolidation et lest ) dans l'industrie pétrolière, la construction de tunnels, de mines et l'industrie du bâtiment, et de manière générale dans tout domaine nécessitant la réalisation de mélanges en continu de liquides ou fluides visqueux ou gels et de solides. REVENDICATIONS 1. - Turbine pour la mise en rotation d'un mélange de poudre(s) et de liquide(s) ou de gel(s) dans un mélangeur, caractérisée en ce qu'elle comprend des pales étroites ou un fil en spirale de manière à autoriser un glissement de la vitesse de rotation des pales de environ 2- 4 à environ 1 par rapport à la vitesse de rotation du mélange. 2. - Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des pales très étroites 14,16 ou un fil en spirale 32. 3. - Turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un moteur 2 entraîne un arbre 13 sur lequel est monté un disque 12, portant les pales étroites à sa périphérie, et présentant de préférence des passages ou perforations 18 pour équilibrer la pression de l'air ( du gaz ) de chaque côté ou sur les deux faces du disque. 4. - Mélangeur rotatif pour poudre(s) et liquide(s) ou gel(s) caractérisé en ce qu'il est équipé d'une turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.