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"Procédé et appareil de classement par séparation des mélanges suivant leur vitesse de chute dans un milieu liquide".
Jusqu'à présent, il n'existe ue le criblage comme procédé à bon rendement technique pour la séparation pré- cise des grains .
-Les difficultés techniques du criblage par tamis s'accroissent avec la finesse des mailles du tamis (nécessi té d'une durée de tamisage plus grande ou de surfaces de tamisage plus importantes, vibrations de fréquence accrue).
D'autre part, on sait que l'on peut réaliser la sept ration suivant la grosseur des grains dans un courant li- quide descendant (voir par exemple les brevets allemands
EMI1.1
HO 470. 734 et N<* 626. 1 . )
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Le procédé rendu techniquement possible Qui consiste à séparer des grains suivant leuis grosseurs dans des colonnes ascendantes de liquide sera appelé par la suite lavage verti- cal etsera ainsi différencié de la séparation par déplace- ment horizontal du liquide ( par exemple le lavage des kao- lins par rigole , le triage des sables dans bacs à fond co- nique) qui, d'après son principe est désignée sous le nom de lavage horizontal.
Si le lavage vertical produit une finesse de sépara- tion supérieure à celle obtenue avec le lavage horizontal, il n'en est pas moins vrai que les procédés proposés jusqu'à présent pour le lavage vertical ne valent pas la séparaticn. par criblage .
Un autre inconvénient des procédés connus de lavage vertical réside dans le fait que la sécurité du fonctionne- ment est déjà supprimée pour le moindre accroissement de la concentration de la a.atière à séparer, de sorte ue ou bien des fractions de la matière première parviennent dans la fraction déjà triée, ou bien l'appareil de triage s'obture.
La présente invention a pour objet un procédé de la- vage vertical qui permet d'atteindre pratiquement la finesse de séparation obtenue lors du classement par tamis humide, procède qui résout les problèmes de haute concentration, exclut les bouchages ou obturations de l'appareil et rend la finesse de séparation obtenue indépendante en grande par- tie, des variations dans l'introduction de la matière à trai- ter etdes variations de l'admission d'eau.
Le principe du lavage vertical réside dans le fait que l'on introduit, par exemple à mi-hauteur d'une colonne de liquide ascendant, la matière granuleuse à trier, à la suite de Quoi les fractions plus fines sont entraînées par le courant ascendant et s'écoulent vers l'extérieur par la partie
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supérieure, tandis que les fractions plus grosses tombent en traversant le courant ascendant de lavage etsont expulsées de façon continue à la partie inférieure de 1'appareil (par
EMI3.1
exemple parajutage).
Si la colonne de liquide est cylindrique sur toute sa hauteur comme on l'a souvent proposé, il se produit déjà, pour des accroissements réduits de la concentration du mé- lange, en particulier entre le conduit d'admission d'eau de lavage et la conduite d'introduction du mélange, des agglo- mérations flottantes de grains qui conduisent à une diminu- tion appréciable de la finesse et, finalement, à une accu- mulation de tous les grains, ce qui aurait pour résultat de ne plus laisser s'écouler, par l'ajutage des gros grains, que de l'eau pure.
Dans uncourant vertical qui présente, à tous ses ni- veaux, des vitesses verticales égales, les grains dont la vitesse de chuta est égale à la vitesse verticale du liquide doivent atteindre une très grande concentration (en principe infinie ) .
La formation d'agglomérations flottantes composée de grains en cours de chute doit tout d'abord tre ramenée au fait que les zones de plus grande turbulence (en particulier la zone du conduit d'admission inférieur d'eau) ont une plus grande capacité de support des particules que ne le permet- trait leur vitesse verticale moyenne*
Conformément à l'invention, on évite la formation d'agglomérations flottantes de grains en mesurant les débits de de liquide et les sections correspondantes de la colonne/li- quide de telle façon que les vitesses verticales de-scouches de liquide supérieures soient de préférence, plus grandes que celles de couches inférieures, ce que l'on obtient, dans les zones de débit constant par des diminutions progressives des sections vers le haut.
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De préférence, les vitesses de débit du liquide, et les sections correspondantes sont telles que la vitesse ver- ticale maximum aussi bien que la vitesse moyenne des parti- cules de liquide dans une section soient inférieures de 10% au moins aux vitesses maxima ou moyenne respectivement dans la section située à une distance égale à 2d au-dessus (d étant le diamètre de la section a'écoulement vertical à la hauteur del'inroduction du mélange). De cette façon, on évite les con- centrations élevées des grains se trouvant dans la zone de la vitesse critique de chute.
Dans le but d'éviter les agglomérations de grains au- dess de leur point d'introduction, la section du courant doit avoir, au point où se fait l'admission d'eau de lavage, une surface supérieure d'au moins 30% à celle de l'emplace- ment le plus étroit situé au-dessous de l'orifice d'introduc- tion du mélange et supérieure d'au moins 10% à celle de l'em- placement où se fait l'introduction du mélange.
Au cas où l'admission de l'eau de lavage (ou l'intro- duction du mélange à laver) se ferait en plusieurs endroits situés à différents niveaux, on doit établir ces sections, par rapport à ces niveaux au-dessus et au-dessous des endroits où l'or introduit 50% de la quantité totale d'eau de lavage ou de la matière à réparer.
Ces diminutions progressives de section représentent une amélioration décisive du procédé,puisque le principe de la séparation des grains de différentes grosseurs par le li- quide ascendant n'est pas valable pour de grandes concentra- tions, en raison des chocs fréquents des petites particules l'une contre l'autre.
On peut aussi obtenir un autre progrès essentiel en mettant la colonne d'eau ascendante en rotation autour de son axe vertical soit en dirigeant tangentieliement les cou- rantsd'admission, soit, pour les petites vitesses verticales.,
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au moyen d'un .Agitateur; on peut ainsi, d'une part, réduire notablement la formation de tourbillons au point d'admission et, d'autre part, accélérer sensiblement la répartition uni- forme des grains ou de l'eau sur la section liquide toute entière.
Si, conformément à l'invention, on dispose, au-dessus du conduit inférieur d'admission d'eau prévu dans le fond de l'appareil, des tôles deflectrices placées dans le sens du courante celles-ci freinent,si elles sont disposées d'une marmière appropriée, les courants les plus rapides dans la partie centrale du réservoir et, elles accélèrent, d'autre part, le tourbillonnement du liquide ascendant de telle ma- nière que la formation d'agglomérations flottantes de grains se produisent d'abord pour les vitesses varticales dans l'es- pace R,, vitesses qui, pour des quantités réduites de mélange introduit, se trouvent déjà au voisinage de la zone de vi- tesse de chute critique de séparation.
Afin de pouvoir utiliser techniquement le procédé de séparation précité, il est Important de savoir que les sec- tions doivent être établies non seulement en tenant compte du faitque les couches situées à la partie supérieure doi- vent présenter, en général, des vitesses verticales moyennes plus élevées, mais en se rappelait également que des turbu- lences plus grandes exigent des vitesses verticales moins grandes.
La sécurité de fonctionnement d'un lavage vertical ne dépend pas seulement de la construction du réservoir de séparation, mais elle exige aussi que des écoulements cons- tants soient assurés.
Sur le dessin annexé, on a représenté à titre d'exem- ples non limitatifs de l'invention plusieurs modes de réa- lisation de celle-ci.
Sur ce dessin:
Ici. figure 1 estune coupe longitudinale d'un appareil -
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de lavage vertical conforme à l'invention, destiné à la sé- paration de grains de sable de différentes grosseurs;
La figure 2 représente ur: détail de construction mo- difié ;
La figure 3 et la figure 4 sont des coupes faites par C - D et E - F de la figure 1;
Les figures 5, 6, 7 et 8 sont respectivemeht une coupe longitudinale, une vue en plan et deux coupes faites par G - ii et J - K de la figure 5, d'un appareil de lavage vertical pourvu d'un agitateur utilisé dans de grandes installations de séparation de kaolin et de sable fin;
Les figures 9 et 10 représentent schématiquement, en coupe verticale et en coupe transversale faites par L - II de la figure 9, un mode de réalisation codifié d'un appareil de lavage vertical servant au même usage ;
La figure 11 représente schématiquement une installa- tion de lavage vertical à deux étages (par exemple pour la séparation du charbon fin et de la pierre stérile) .
Dans un réservoir de séparation vertical (figures 1 à 4) comportant deux parties 1 et2 assemblées par des brides et de forme légèrement conique vers le haut, on introduit, dans la partie centrale, par un tube 3 disposé tangentiel- lement, la matière à séparer, par exemple du sable à laver présentant des grains de différentes grosseurs. L'admission d'eau a lieu de façon analogue par un tube 4 qui débouche dans le fond 5, en forme d'entonnoir du réservoir de sépa- ration . Le raccord d'échappement 6 situé à la base de l'en- ttnnoir est amovible puisque sa section de passage doit être adaptée à la grosseur du grain de la matière brute à séparer.
A l'extrémité supérieure du réservoir se trouve un bac de trop plein 7 pourvu d'un écoulement latéral.
Au-dessous du trop-plein 7 ainsi qu'au-dessus de la conduite d'introduction du mélange 3 ou de la conduite d'ed-
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mission d'eau 4, on a disposé dans le sens du courant, des plaques déflectrices 8a, Sb et 8c, concentriques et an.ulai- res qui freinent las pointesde courant dans la portion centra- le du réservoir 1 et 2 et aident à supprimer rapidement le tourbillonnement du courant.
Pour fragmenter les agglomérations de grains formées sur le fond du tube d'introduction 3 du mélange, on prévoit, avant l'ar-ivée de ce dernier dans le réservoir 1 et 2, une conduite 9 particulière d'admission d'eau qui empêche les ag- glomérations de grains, des grosseurs les plus diverses de tomber en formation serrée. un introduit la conduite 9 par dessous dans la conduite d'introduction 3 et on place le bec élargi et aplati 10 de cette conduire 9 dans le sens du cou- rant de la matière à séparer, ce bec remplissant la partie inférieure du tube 3.
Pour fragmenter les agglomérations de grains dans la conduite 3, on peut aussi amener verticalement le mélange à séparer et le détourner horizontalement peu avant son entrée dans le réservoir, ce qui entraîne l'eau supplémentaire à pé- nétrer tangentiellement par la conduite 9 (figure 2), par la zone de ce coude, dans la conduite d'introduction du mélange 3, et, par suite, un brassage complet des ¯rains. la rotation du liquide se produisant de ce fait, dans le tube d'introduc- tion 3 peut être freinée au point d'introduction par une ou plusieurs plaques déflectrices 3a construites de façon appro- priée.
Le dispositif fonctionne comme suit : le mélange de sable à séparer, imbibé d'eau, pénètre par la conduite 3 dans le réservoir de séparation 1 et 2. Les agglomérations de grains qui se produisent pendant le parcours horizontal dans la conduite 3 sont arrosées par une conduite auxiliaire 9 peu avant son entrée dans le réservoir .
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L'introduction presque tangentielle de la matière en 3 produit une rotation du liquide situé dans la zone R4.
L'eau propre entrant à la partie inférieure de l'appareil par le tuyau 4 en direction également presque tangentielle met en rotation le liquide dans la zône R1. Les conduites d'introduction 3 et 4 doivent avoirddes dimensions corres- pondant à celles de l'appareil et de la conduite d'écoulement 6, dimensions telles que la vitesse du liquide dans la zone R4 soit environ égale à 10 en/seconde etsoit légèrement plus grande dans les couches supérieures et légèrement plus faible dans les couchas inférieures. Les fractions fines de sable sont entraînées dans la zone R4 par la colonne de li- quide ascendante et sont finalement emportées par le trop- plein 7.
Les particules ayant un diamètre supérieur à 0, 5mm se séparent dans la zone 5 et tombent d'une manière conti- nuelle dans des couches Inférieures. Les plaques déflectri- ces concentriques 8a et 8e assurent un écoulement tranquille et uniforme sur toute la section de la zone R5. Les grains les plus gros tombent continuellement par R3 est sont libérés dans la zone R2 par le liquide ascendant, des fractions plus petites entraînées (au-dessous de 0,5mm de diamètre).
Les particules ayant un diamètre supérieur à 0,5mm tombent dans la zone R1, traversent le raccord 6 et sont entraînées à l'extérieur.
La supériorité du procédé de lavage vertical sur la séparation par tamis humide du sable de verrerie découle in- dubitablement des anlyses ci-dessous:
EMI8.1
Séparaticz au tamis humide (débit 4 kg/wj/min.)
Fractions Grosseur des grains
EMI8.2
<tb> Sable <SEP> de <SEP> verrerie <SEP> Sable <SEP> de <SEP> déchet
<tb>
EMI8.3
Au-dessous de 45c..: , ..... Z 3;g a..8:â
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EMI9.1
0, 5 - lam 7,5,; 1 à 2mm ............ 1,2 71 .
H:. au-dessus de L#n.... o 1;,Ï lavage vertical (Débit : Okg/lOO litres d'eau/min.)
Fractions
EMI9.2
<tb> Grosseur <SEP> des <SEP> crains
<tb>
<tb> Sable <SEP> de <SEP> verrerie <SEP> Sable <SEP> de <SEP> déchet
<tb>
EMI9.3
au-dessous de o,5oa .......... ±8,4,;:' 17,8 O,5-1....................... 1,55 1 à 8...... 1 ................ 0, OS;:;
82, au-dessus de 2cim.............. -
Au moyen d'un appareil de lavage vertical, dont les frais de construction se montent à un dixième de ceux d'un appareil de classification ar tamis, la finesse de sépara- tion peut être augmentée de telle manière que la grosseur des grains peut tre limitée à o,5mm (au lieu de lmm cornue précédemment) alors que les pertes s'établissent à 18% contre 29%.
L'importance d'un tel résultat, pour la fabrication du verre en particulier,ressort du fait que la durée de la fusion dans la cuve ne dépend pas du diamètre des grains de sabj.e moyens, mais du diamètre des grains les plus gros, pres- que indépendamment de leur poids.
Un autre domaine d'application important du lavage vertical est l'obtention du kaolin. Pour la plupart des buts d'utilisation du kaolin, on ne désire pas obtenir les grosses particules qui restent dans le tamis à 10.000 mailles au cm2
EMI9.4
(c'est-à-dire yui ont un diamètre supérieur à 0,06mm).
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Avec les procèdes actuels de lavage horizontal (la- vages continus ou discontinus dans des systèmes de rigoles, des bassins, etc. ) ou au moyen d'ajutages centri/fuges , il n'est actuellement pas cessible de séparer avec finesse un mélange de kaolin et de sable fin tel qu'il s'en présente lors de la préparation du kaolin brut. Les figures 5 à 8 et 9, 10 représentent, à titre d'exemples, de grandes installa- tions faites dans ce but ; lesmêmes chiffres de références servant à désigner les marnes organes (ayant des fonctions semblables) que ceux des figures 1 à 4.
Le mélange de kaolin etde sable fin est amené par l'eau de lavage dans les tubes 3 à la proximité du centre et de la périphérie de la zone R4,
Un agitateur à huit palettes monté dans l'axe du ré- servoir tourne à vitesse réduite et assure, au moyen de ses palettes 11 la répartition uniforme du mélange sur toute la section du liquide.
A la partie inférieure de l'appareil, de l'eau propre pénètre par les conduites 4 pourvues de quatre orifices de sortie disposés à différentes distances du centre etcette eau est répartie par les huit palettes agitatrices 12 (fi- gures 5 à 8) .
On peut ainsi introduire la matière par l'arbre creux de l'agitateur et la faire sortir par les palettes en dif- férents points de l'axe pour diminuer autant que possible les turbulences dans la zone R4,
Les composantes verticales des vitesses du liquide sont un peu plus grandes en R5 qu'en R2, Leurs valeurs dé- pendent des poids spécifiques des matières à traiter etde leur composition ainsi que de la forme moyenne des particules
Les particules de kaolin ayant un diamètre de grains inférieur à 0,06mm sont libérées, dans la zone R5, des gros grains et sont rejetees par le trop-plein 7.
La plaque dé-
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flectrice conique 13 et les perforations 14 du couvercle 15 évitent que des emplacements privilégiés du trop-plein en- gendrent des irrégularités d'écoulement dans la zone R5,
Les barbotines (particules ayant un diamètre de grain supérieur à 0,06mm) tombent constamment dans la zone R2 où elles sont libérées des particules de kaolin restantes et sortent finalement sous forme de solution concentrée et de façon continue par le raccord de sortie 6.
Conformément aux modes de réalisation simplifiés représentés sur les figures 9 et 10, le mélange de sable et de kaolin à séparer est introduit dans l'eau de lavage par la conduite 3 dans une enveloppe annulaire 16 entourant le réservoir ce séparation 1 et 2, enveloppe qui est suffisam- ment haute pour que les particules qui tombent puissent, avant leur entrée dans le réservoir, se répartir uniformé- ment sur tout le pourtour de la fente d'admission 17. De même, l'introduction de l'eau de lavage se fait par le tube 4 dans la chambre annulaire 18 munie d'une fente annulaire 19.
Des essais pratiques ont montré qu'un simple lavage vertical (la hauteur des appareils de séparation étant égale à cinq-fois le diamètre de la section du liquide) donne des résultats bien meilleurs qu'un lavage horizontal à trois passages, comme on le voit sur le tableau ci-joint.
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<tb>
Lavage <SEP> horizontal <SEP> triple <SEP> lavage <SEP> vertical <SEP> unique
<tb>
<tb> kaolin: <SEP> kaolin:
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1er <SEP> passage <SEP> : <SEP> 0-3% <SEP> de <SEP> particules <SEP> 0-1% <SEP> de <SEP> particules <SEP> au-des-
<tb>
<tb>
<tb> au-dessus <SEP> de <SEP> 0,06mm <SEP> sus <SEP> de <SEP> 0,06mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2ème <SEP> passage <SEP> : <SEP> 1-4% <SEP> de <SEP> particules
<tb>
<tb>
<tb> au-dessus <SEP> de <SEP> 0,06mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3ème <SEP> passage: <SEP> 2-5% <SEP> de <SEP> particules
<tb>
<tb>
<tb> au-dessus <SEP> de <SEP> 0,06mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Barbotine: <SEP> Barbotine:
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> kaolin:
<SEP> 40-50% <SEP> (parti- <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> kaolin <SEP> 10-20%
<tb>
<tb>
<tb> cules <SEP> inférieures <SEP> à <SEP> 0,06mm' <SEP> (particules <SEP> inférieures <SEP> à
<tb>
<tb>
<tb> 0,06mm).
<tb>
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Dans l'installation le lavage à deux étages représen- tée schématiquement sur la figure 11, on effectue le triage dans un récipient 20 après une petite vitesse de chute cri- tique, alors que l'écoulement du gros grain est soumis dans un deuxième récipient de séparation 21 à un classement après une vitesse de chute plus grande; de cette façon on obtient une limitation de la hauteur de construction de l'installation.
Un réservoir d'eau 22 estmaintenu au même niveau de remplissage par un déversoir 23 à écoulement continu. L'eau s'écoule librement par des ajutages 24 de dimensions déter- minées dans des réservoirs intermédiaires 25 à 29,ce qui assure un remplissage constant de ces derniers. Les bulles d'air entraînées peuvent, dans le liquide descendant lente- ment (à moins de lOcm/sec. ) dans ces réservoirs intermé- diaires 25 à 29, s'élever et elles ne peuvent ainsi provoquer aucune turbulence dans les réservoirs de séparation 20, 21.
Les différences de résistances à l'intérieur de ces derniers modifient bien les hauteurs de déversement du liquide dans les récipients intermédiaires 25 à 29, mais restent sans in- fluence sur les quantités débitées en raison des filets d'air intermédiaires qui les traversent. Le mélange de grains à séparer est introduit dans un réservoir auxiliaire 30 qui est muni d'une conduite d'admission d'eau 31 et est suffisam- ment large à sa partie supérieure pour que de grosses bulles d'air puissent y monter. Les conduites 32 et 34 amènent aux réservoirs de séparation 20 et 21 l'eau du fond et les con- duites 33 et 35 amènent l'eau de dilution du mélange.
Les réservoirs des récipients de séparation 20 et 21 ne contiennent qu'une faible concentration de grains. La matière concentrée est séparée de manière appropriée dans des entonnoirs 36 et 37, l'eau en excès s'écoule de la surface ets'échape par un ajutage 38 ou 39. La concentration du li- quide qui s'écoule peut tre réglée avantageusement et auto-
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matiquement par un flotteur non représenté dont la partie conique se déplace de manière appropriée dans l'ajutage d'é- chappement et est soulevée dans l'entonnoir lorsque la matière concentrée monte, ce qui augmente ainsi la section d'écoule- ment de l'ajutage.
'Quand on dispose de grandes hauteurs, la séparation peut d'abord être effectuée grâce à la plus grande vitesse de chute etla fraction de grains fins, après concentration, peut être soumise à une nouvelle séparation, grâce à une vitesse de chute plus réduite, le trop-plein de la concentration de l'entonnoir pouvant être utilisé chaque fois comme liquide de lavage pour l'opération de séparation suivante. De cette façon, on peut limiter la consommation du liquide.
Le procédé classique de séparation par dépôt de maté- riaux de densités différentes, par exemple la séparation du charbon et de la pierre stérile n'est pas applicable au menu charbon.
Mais, en utilisant le lavage vertical, on parvient à libérer même de petites fractions de charbon de la pierre stérile, alors que ceci ne pouvait être obtenu par d'autres moyens que la flottation .
Pour étudier une installation de lavage vertical, on doit d'abord rechercher les vitesses de chute da charbon et de la pierre stérile en question dans une colonne d'eau, sui- vant la grosseur des grains. Si l'on prend à titre d'exem- ple le plus grand diamètre de grains pour lequel le lavage vertical, paraît encore pratique, soit 8mm, le tamis mie plus fin qui est la limite inférieure pour la première classe de tamis pour le lavage vertical est déterminé par le fait que la vitesse de chute des grains de charbon de 8mm doit être inférieure ou tout au plus égale à la vitesse de chute des grains de charbon de la grosseur considérée contenus dans la pierre stérile.
@
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Dans un cas particulier, on a obtenu les résultats suivants:
Vitesse de chute dans l'eau calme
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<tb> Grosseur <SEP> des <SEP> grains <SEP> Charbon <SEP> Pierre <SEP> stérile
<tb>
<tb> 8mm............. <SEP> 10-l5cm/sec.
<tb>
2mm............. <SEP> 4-6 <SEP> cm/sec. <SEP> 20-35cm/sec.
<tb>
0,3mm............ <SEP> 0,5-1,5 <SEP> cm/sec. <SEP> 8-12 <SEP> cm/sec.
<tb>
O,lmm............ <SEP> 2-3 <SEP> cm/sec.
<tb>
Après tamisage a sec dans des tamis de 8mm,2mm et 0,3mm, on lave verticalement la fraction la plus grossière (8-2mm) à une vitesse ce 18cm/sec., la fraction moyenne (2-0,3mm) à une vitesse 5cm/sec. et la fraction la plus fine (audessous de 0,3mm) à une vitesse de 1,2 cm/sec.
Le lavage vertical de la fraction grossière de grains (jusqu'à 8mm) nécessite, soit un ajutage d'écoulement d'au moins 40mm de diamètre intérieur dont l'arrivée d'eau n'est économique que pour les grandes installations (au-delà de 5 tonnes par 'heure), ou bien une expulsion du gros grain par voie mécanique, par exemple à l'aide d'un élévateur à gode ts .
Les lavages verticaux des deux premières fractions produisent une séparation complète du charbon d'avec la pierre stérile; dans la troisième fraction, le charbon qui s'échappe contient encore des fractions généralement minimes de la pierre stérile dont les grains ont une grosseur infé- rieure à O,lmm.