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Procède de mélange et dispositif pour sa mine en oeuvre
La présente invention a pour objet un procéd1é dé mélange et un dispositif pour sa mise en oeuvre.
Oe procédé de mélange est applicable, par exemdple, pour accélérer des processus de dissolution, pour préparer des dispersions, des suspensions, des émulsions et des solu- tions colloïdales, pour homogénéiser, pour préparer et traita des pâtes, pour accélérer des réactions chimiques, physiques et atomiques, pour effectuer des fermentations, pour laver des gaz dans des liquides ou pour laver des liquides à l'aide de gaz et de vapeurs et pour d'autres traitements de matières dans lesquels une opération de mélange est nécessaire ou avan- tageuse.
Le procédé objet de l'invention consiste a prélever, un courant de matière latéralement d'un récipient qui con- tient la matière à mélanger et à le réintroduire dans la matière contenue dans le récipient au moins approximative-
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mont au contre de celui-ci, sous pression, en un jet de préférence étrangle,de telle aorte que la sortie et le retour de ce courant engendrent respectivement doux composantes d'écou- lèsent qui sont perpendiculaires l'une à l'être et dont la résultante produit un écoulement hélicoïdal forcé.
Co procédé est particulièrement applicable aussi en fonctionnement continu. L'écoulement hélicoïdal de la matière que l'on obtient donne lieu à des parcours d'écoulement parti- culièrement longs et turbulents et à un mélange efficace en conséquence.
Le dispositif qui sert à la mise en oeuvre du pro- oédé objet de l'invention comprend un récipient pour la mati- ère et est caractérisé suivant l'invention par au moins une., .
. conduite de prélèvement, une conduite d'introduction présent- ant de préférence une embouchure rétréoie, ainsi qu'une pompe dont le raccord d'aspiration est relié à la conduite de pré- lavement et dont le raccord de refoulement est relié à la con- duite d'introduction.
Les avantages réalisés grâce à l'invention sont notamment les suivants: un mélange notablement plus intense et par conséquent plus rapide, la possibilité d'appliquer au mélange une plus grande puissance (puissance de la pompe) par unité de volume du récipient de mélange et la possibilité d'utiliser un récipient d'autant plus petit, une répartition plus uniforme du processus de-mélange sur le volume du réci- pient par suite du traitement uniforme de tous les filets
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d'écoulement, la possibilité de régler l'effet de mélange de façon continue à partir de zéro et l'absence de tout organe mobile dans le récipient de aorte que celui-ci peut être fermé hermétiquement. Il y a lieu d'observer que des pompes herméti- quement closes sont connues,
Quelques modes de réalisation 'du dispositif objet de l'invention, donnés à titre d'exemple, sont représentés aux dessins annexés et h. propos de ces modes de réalisation on décrira aussi le procédé objet de l'invention. Dans le dessin annexé: - la figure 1 est une ooupe longitudinale schématique d'un dispositif de mélange à fonctionnement continua - la figure 2 eot une coupe suivant la ligne 11-11 de la figure 1; - les figures 3, 4 et 5 montrent chacune une coupe longitudinale d'une variante d'une partie de la figure 1; - la figure 6 est une coupe longitudinale schématique d'un dispositif pour mélanger un guz aveec un liquide;
- la figure 6a représenta un détail de la figure 6: - les figuras 7,9 et 9 représentent chacune une coupe longitudinale d'une variante de la figure 1.
Le dispositif représontee comprend un récipient de mélange 1 muni d'une conduite d'alimentation 7 et d'une con- duite de soutirage 9 de la matière. Trois récipients d'ali- mentation 8a, 8b et 8c, qui ne sont représentes qu'en partie, sont places roopootivomont au-dessus de compteurs de débit 9a,
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9b et 9c et de soupapes de réglage 10a, 10b et 10c raccordées à la conduite d'alimentation 7.
La conduite de soutirage 9 contient une soupape de réglage 16,
Le récipient 1 est muni de trois conduites de pré- lèvement 5a. 5b 5c équipées chacune d'une soupape de réglage 6a, 6b 6c, Ces conduites de prélèvement sont raccordées à une conduite collectrice 5 reliée au raccord d'aspiration d'une pompe 2. La chambre contenant le moteur d'entraînement de la pompe est désignée par 2 nu.
Le récipient est muni d'une oonduite d'introduction constituée par un tube 3 dont une extrémité pénètre dans le récipient et dont l'autre extrémité est reliée au raccord de refoulement de la pompe 2, extérieurement au récipient 1, le tube 3 traverse un éohungeur do chaleur 17 servant 4 chauffer ou à refroidir la matière qui coule dans le tube.
A son extré- mité située dans le récipient, le tube 3 présente une embou- chure rétrécie en forme de tuybre 4,
La conduite d'ulimentation 7 et la conduite de sou- tirage 9 sont raccordées à don pointa du récipient qui sont opposée l'un à l'autre par rapport à l'axe de 1'orifice d'in- troduotion 3 et qui sont décalés l'un par rapport à l'autre dans le séné de cet axe.
Le pont de raccordement de la oon duite d'alimentation 7 est plus rapproché de la tuyère 4 que le point de raccordement de la conduite de soutirage 9,
Dans les récipients d'alimentation 8a, 8b. 8c on introduit les matières dont l'une au moins est un fluide et
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qui sont destinée à gtre mélangées intimement les unes aux autres pour prdparer un odlange, qui peut être une vraie so- lution ou une solution colloïdale, une dispersion, une sus- pension, une émulaion ou une pito.
A partir des récipients
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8 8b .A. 8ç± ces matières passent continuellement par Ion comp- teurs do dÓI1t 9ru 9b, 9 et les soupapes de réglage 10JJ. 10bBl 10c pour arriver dans la conduite d'alimentation 7 et par celle-ci dans le récipient 1. Les rapporta quantitatifs entre
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ces matières sont rdgldu à l'aide des soupapes de réglage 10", .0,, 10 et sont survollldo par les compteurs de débit 9aj, 9,, 9o.. La pompe 2 aspire continuellement une partie de la matière' contenue dans le r6oipirnt 1, à travers les conduites 5,," 5.
5 et 5, et la refoule va nouveau soue pression dans le r4oi- pient par la conduite 3. n râlant convenablement lea .ou- papes 6aj. 6 6 on peut prélever cette partie de mati\re dans le bas, au milieu ou dams le haut du récipient ou en ces trois pointa suivant une répartition déterminé . Dans 1@
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tuyère oui, la vitesse d'écoulet3ent de la matière réintroduite dans le récipient 1 subit une augmentation notable.
Cette matière pénètre donc à grande vitesse dans la matière contenue dans le récipient 1, ce qui fait naître des composantes d'écou-
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lement désignées par xl,,, ilb,, Le courant lia entraîne 1m=4di- atoment les matières qui arrivent dans le récipient 1 au point 13 en provanance do la conduite d'alimentation 7, de sorte que ces matières participent au processus de mélange dès leur arrivée dans la récipient.
Du courant 11b se détachent des
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courants partiels 15 qui forment le oourant de matière que la pompe 2 aspire pour le refouler sous pression dans le récipient Gomme le point de raccordement de la conduite de soutirage 9 au récipient 1 est horizontalement décalé par rapport au point de raccordement 13 de la conduite d'alimentation 7 et comme les points de raccordement don conduites de prélèvement 5a, 5b, 5c sont horizontalement à l'écart du courant qui sort de la tuyère 4, un courant horizontal prend aussi naissance dans le récipient. Ce courant horizontal suit des parcours qui, vus en plan, présentent la forme d'aras do cercle (figure 2) et qui sont désignés par 12a. 12b, 12c, 12d dans la figure 2.
Il en résulte que la matière qui arrive dans le récipient.par l'embouchure 13 de la conduite d'alimentation et par la tuyère 4 doit obligatoirement suivre des parcours hélicoïdaux pour arriver à la conduite de soutirage 9 et aux conduites de pré- lèvement 5a, 5b, 5c, les axes des hélices suivies par ces par- cours étant courbes en forme d'arcs de cercle.
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Comparativement aux dimensions du récipient, on ré- alise ainsi un parcours très long des filets d'écoulement dans le récipient et un effet de mélange qui est intense en oonsé- quence. Cet effet de mélange est encore accru parce que le chemin parcouru au cours du mélange est additionnellement pro- longé d'une façon notable, du fait que des courants partiels sont prélevés du courant hélicoïdal passant dans le récipient 1 (allant de 7 à 9) avant qu'il n'atteigne la conduite de sou- tirage 9, ces courants partiels étant ensuite réintroduits
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sous pression dans le courant hélicoïdal par la tuyère 4. Aine!,
le prélèvement d'une partie de la matière et sa réintroduction servent non seulement à engendrer 1'écoulement hélicoïdal qui vient d'être décrit et qui est en lui-même déjà très avanta- geux, mais ont en outre pour résultat qu'au moins une partie de la matière parcourt les chemina hélicoïdaux plusieurs foie, successivement, La mesure dans laquelle ce résultat est atteint dépend de la puissance de refoulement de la pompe et du débit qui traverse le récipient 1, lequel est réglable à l'aide de la soupape 16. Un avantage notable réside aussi dans le fait que l'étalement radial du jet sortant de la tuybre produit un tourbillonnement intense qui produit également un .effet de mélange intense.
Quand le processus de mélange ou un autre processus (par exemple une dissolution) qu'il s'agit de oauser ou de favoriser par le mélange, ou une réaction de ce genre, doit être influencé par un échauffement ou un refroidissement, on . met en service l'échangeur de chaleur 17 d'une manière cor- respondante.
Comme il est représenté à la figure 3, la'tuyère 4 peut être rapprochée du fond du récipient à une petite dis- tance 18, qui peut mesurer de 0,2 à 2 fois le diamètre de l'embouchure rétrécie de la tuyère, afin de produire à cet endroit un mélange radial intense aussi par l'impact du jet. sur la paroi. Le môme but peut être atteint à l'aide d'une chicane (non représentée) disposée devant la tuyère 4.
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Une telle chicane subit une usure (par érosion), Un effet de môme nature, mais plus intense, peut être obtenu sans faire appel à une chicane exposée à l'usure en adoptant une dispo- sition suivant la figure 4. Dans cette disposition, on utilise deux tuyères 4a, 4b dont les orifices de sortie sont tournés l'un vers l'autre. Les deux tuyères 4a et 4b sont raccordées à la conduite d'introduction 3 qui est perpendiculaire au' plan du dessin, de la figure 4, mais a été représentée en poin- tillé en rabattement dans le plan du dessin.
La tuyère 4 (figure 1) peut aussi présenter plusi- eurs orifices dont les directions de sortie rayonnent dans un plan, ou elle peut présenter une fente de sortie annulaire comme cela est représenté à la figure 5.
Quand il s'agit d'introduire et dé répartir un gaz dans la matière contenue dans le récipient, la tuyère 4 de la conduite d'introduction 3 peut être construite sous la forme d'une tuyère de mélange.
La figure 6 représente un dispositif de mélange agencé à cet effet, dont les parties 1, 2,3, 4c, et 5 corres- pondent aux parties 1, 2,3, 4 et 5 de la figure 1. A la dif- férence de la tuybre 4 (figure 1), la tuyère 4c est une tuyère mélangeuse établie par exemple à la manière d'une pompe à jet.
A la tuybre mélangeuse 4jo sont raccordées la conduite 3 par laquelle arrive la matière ot une conduite 23 pour l'arrivée du gax. Cette conduite est alimentée d'une part par une con- duite 22 à partir d'un réservoir a gaz 20, d'autre part par
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une conduite 21 à partir de la partie supérieure 19 du réai- * plant 1 qui contient du gaz.
Le dispositif de mélange de la figure 6 comprend on outre un cyclone 25 qui n'y est indiqué que schématiquement, mais qui est représente en coupe axiale à la figure 6a, Ce cyclone 25 sert à débarrasser la matière contenue dans le récipient 1 d'un excédent de gaz qui condui- rait à une formation gênante de mousse. Un tel excédent de gaz peut se produire par exemple au cours d'un processus de fer- mentation. Le cyclone 25 est relié à la partie supérieure du récipient 1 par une conduite 26 contenant une deuxième pompe ou un ventilateur 2b et il eat relié en outre par une conduite. descendante ramifiée 28 au récipient 1 et à la conduite 5. La branche de la conduite 28 qui débouche dans la conduite 5 su- bit l'action de la pompe 2. Une conduite 27 dirigée vers le haut sert à l'évacuation du gaz en excès.
En vue de la mise en service du dispositif de la figure 6, on remplit le récipient 1 du liquide à traiter, jusqu'à un niveau situé au-dessus du point de raccordement de la conduite 5 et au-dessous du point de raccordement de la conduite 26, et on remplit le récipient 20 du gaz dextiné à être introduit. On fait fonotionner la pompe 2 jusqu'à ooe que le liquide ait absorbé la quantité voulue de Cas très finement divisé. Par la mise en marche simultanée de la deuxième pompe 2b, la mousse qui se forme à la surface du liquide est intro- duite dans le cyclone 25 qui sépare le liquide du gaz par con- trifugation.
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Le dispositif de la figure 6 peut être construit également de telle sorte que la pompe 2 assume aussi le rôle de la pompe 2b, De plus, le dispositif peut être agence aussi en vue de la gazéification d'un liquide qui passe; à cet effet, comme il a été décrite propos de la figure 1, le liquide est introduit dans le récipient 1 (figure 6) à la partie inféri- eure, à coté de la tuyère mélangeuse 4c, et en est soutiré à la partie supérieure, en un point diamétralement opposé par rapport au point d'introduction, en même temps que le gaz est introduit de façon continue.
Lorsque le récipient destiné au mélange présente une forme allongée, il convient de disposer plusieurs tuyères réparties sur la longueur du récipient, ainsi qu'il est repré- senté aux figures7 et 8.
Le récipient 1 représenté à la figure 7 est cylin- drique et placé verticalement, La hauteur axiale de oe réoi- pient est notablement plus grande que son diamètre. Une partie de la conduite d'introduction .3 est placée axialement dans le récipient 1 et présente plusieurs tuyères réparties sur sa hauteur, A la figure 7, on a représenté quatre tuyères 4, 17a
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17 et 18 parai .pttA7 0 la tuybre 4 placée %i'111 inférieure est dirigée vers le bas, la tuybre 11& et la tuybre supérieure 18 sont dirigées vers le haut et la dernière tuyère 17b est construite de la façon indiquée à propos de la figure 5.
La matière qui sort de la tuyère inférieure 4 est déviée sur le fond du récipient 1 et est ainsi renvoyée vers le haut,
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La conduite de prélèvement est constituée par un tuyau flexi- ble 5d en caoutchouc ou matière synthétique similaire ou un autre genre de tuyau élastique qui est placé à l'intérieur du récipient 1 et est raocordé à un tuyau 5 placé extérieure- ment au récipient 1 et conduisant à la pompe 2. L'extrémité libre 29 du tuyau flexible 5d est portée par un flotteur 30 et est ainsi toujours maintenue à la surface 31 de la Matière contenue dans le récipient 1. De cette façon, quel que soit le degré de rempilasse du récipient 1, l'aspiration de la matière se fait toujours de sa couche supérieure.
Cela est important quand on traite simultanément des liquides dont les poids spécifiques sont très différents et le récipient n'est pas toujours rempli jusque la môme hauteur.
Grâce à un dispositif de guidage (non représenté), le flotteur ne peut se déplacer que verticalement, de telle sorte que l'extrémité 29 du tuyau flexible se trouve toujours à l'opposé de la oonduito d'alimentation 7, par rapport 4 l'axe géométrique de la conduite d'introduction 3,
Au lieu de tuyau flexible 5d attaché au flotteur 30, le dispositif do la figure ? peut présenter une conduite de prélèvement raccordée à la partie supérieure du récipient, Une telle oonduite de prélèvement est représentée en poin- tillé à la figure 7 et porte la référence 5.
Une caractéristique avantageuse du dispositif de la figure 7 résidu aussi dans le fait que la conduite d'ali- mentation 7 et l'embouchure de la conduite de prélèvement 5d
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ou 5 se trouvent en des points du récipient qui sont diamétra- lement opposée par rapport à la partie de la conduite d'intro- duction 3 qui est disposée dans l'axe du récipient.
Dans le mode de réalisation de la figure 8, le ré- oipient 1 est aussi cylindrique et placé verticalement et sa hauteur eot plus grande que son diamètre. Le récipient 1 est divisé en plusieurs chambres par des cloisons réparties sur sa hauteur. Dans la figure 8, on a représenté deux cloisons 16a et 16 qui divisent le récipient en trois chambres. Dans chacune de ces chambres, le mélange s'effectue de la façon qui a été décrite à propos'des figures 1 et 2. Ce qui est essentiel pour le mode de fonctionnement, c'est que dans chaque chambre l'entrée et la sortie soient diamétralement opposées par rapport à l'axe du récipient dans lequel sont placées les tuyères 4.
Dans ce sens, l'ouverture de passage 24a qui constitue la sortie de la ohambre inférieure et l'entrée de la chambre intermédiaire est placée en opposition diamétrale par rapport à l'entrée (conduite d'alimentation 7) de la chambre inférieure et aussi en opposition diamétrale par rap- port à l'ouvertured de passage 24b qui oonstitue la sortie de la chambre intermédiaire et l'entrée de la chambre supérieure et se trouve à non tour en opposition diamétrale par rapport à la sortie (conduite de soutirage 5) de la chambre supérieure.
Le procédé et les dispositifs qui ont été décrits sont applicables chaque fois qu'il s'agit de réaliser un
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mélange intense par des moyens simples et en un temps rela- tivement court, par exemple pour homogénéiser, favoriser des processus de mélange, émulsionner et disperser, préparer des suspensions et des solutions colloïdales, favoriser des ré- actions etc. Quand la dispositif sert seulement à une homo- généisation, 11 suffit de prévoir un seul récipient d'alimen- tation. Quand il s'agit de mélanger plus de trois composants, le nombre des récipients d'alimentation peut être accru en conséquence. Il convient d'arrondir les raccordements du fond et du couvercle du récipient avec sa chemise, afin d'éviter des espaces morts.
Pour réaliser un parcoure d'écoulement enoort plus long, également hélicoïdal, on utilise une variante (non re- présentée) du mode de réalisation de l'invention qui'est re- présenté aux fibres 1 et 2. Dans cette variante, le réci- pient est muni d'une cloison placée parallèlement à l'axe géométrique de l'embouchure (tuybre) de la conduite d'intro- duction et s'étendant depuis un côté des parois du récipient jusqu'à cette conduite. Tout contre cette cloison sont rac- cordées d'un côté une conduite d'alimentation correspondant à la conduite7 et de l'autre coté une conduite de soutirage correspondant h la conduite 9, les points de raccordement étant décalés l'un par rapport à l'autre dans la direction de l'axe de l'embouchure de la conduite d'introduction.
Les con- duites de prélèvement sont disposées du même coté de la cloi- son que le raccordement de la conduite qui correspond à la
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oonduite de soutirage 9. Dans le fonctionnement de cette variante du dispositif, l'axe du parcours d'écoulement héli- coïdal suivi par la matière à travers le récipient forme un arc de cercle de presque 360 C dont les extrémités sont situées de part et d'autre de la cloison.
Dans le dispositif de la figure 9, on tient compte d'un changement du volume de remplissage et par conséquent du niveau 81 en faisant puiser la conduite de prélèvement 5 allant à la pompe 2 dans une partie la du récipient séparée de la partie restante 1b de celui-ci par une cloison 32 qui présente une fente ou des perforations s'étendant sur toute sa hauteur. Ces ouvertures verticalement disposées dans la cloison ont pour effet que malgré des variations du niveau 31 les matières contenues dans l'ensemble du récipient passent de la partie 1b à la partie la comme cela est indiqué par les flèche 33a et 33b, pour parvenir par la conduite5à la pompe 2 et par conséquent à la tuyère 4, quelle que soit la posi- tion en hauteur momentanée de cesx matières.
De façon analogue, la partie la du récipient peut être constituée aussi par un tube fendu ou perforé, monté à l'intérieur du récipient 1.
Il est avantageux pour la vidange de la partie la si son fond est placé plus bas que celui de la partie lb, (Cet te particularité n'est pas représentée à la figure 9).