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Procédé et appareil pour le mélange de matières solides.
Qualification proposée - BREVET D'IMPORTATION
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La présente invention concerne un procédé et un appareil pour le mélange de matières solides, et en particu- lier un type de mélange au moyen d'un écoulement par gravité, dans lequel des matières solides sont enlevées simultanément d'un grand nombre do niveaux se trouvant à l'intérieur de la masse hétérogène de matières solides, en des points adjacents au pourtour de cette dernière, puis reoombinées et, faculta-, tivement, recyclées vers l'enceinte une ou plusieurs fois.
Un mélange de matières solides est désirable dans beauooup de procédés de fabrication et eh particulier, dans les procédés dans lesquels les matières solides sont les produits d'opérations individuelles de charge et en conséquen- ce, possèdent des propriétés plus ou moins variables. Un exemple typique emprunté à l'industrie chimique est la fabri- cation de polyéthylène dans laquelle le produit a la forme de cubes dont le côté mesure environ 3,15 mm. Jusqu'à pré- sent, la pratique générale a été de mélanger les matières solides avec des mélangeurs du type à vis ou avec un appareil du type à coude dont la caractéristique a été de disperser les matières solides dans toute l'étendue de la masse par agitation, tandis que la masse entière était emprisonnée à l'intérieur de l'enceinte.
Ces manières de procéder sont inacceptables au point de vue de la consommation d'énergie, des frais d'installation et des dépenses d'entretien et, en outre, un mélange intime dans ces conditions nécessite un
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temps de traitement relativement long et même si oette condi- tion est satisfaire, le produit n'est pas mélangé habituel- lement jusqu'à présenter le degré souhaitable d'uniformité,
L'un des buts de l'invention est de fournir un procédé et un appareil pour effectuer un mélange, qui fonc- tionne entièrement au moyen d'un écoulement par gravité, sauf pour ce qui concerne l'énergie nécessaire pour recycler le produit, et qui ne nécessite que de faibles dépenses d'installation et d'entretien.
D'autres buts de l'invention sont de fournir un procédé et un appareil pour effectuer un mélange, qui ait un effet de mélange amélioré, qui réduise la durée du traite- ment et qui ait un rendement augmenté par unité de volume et qui soit d'une conception telle que les mélangeurs existants du type à vis puissent être transformés très rapidement si on le désire.
La manière dont sont atteints les buts définis ci-dessus ainsi que d'autres buts de l'invention sera mise en évidence par la description détaillée qui suit, ainsi que par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en élévation latérale d'une réalisation préférée d'un mélangeur suivant l'invention, les détails de vannes n'ayant pas été représentés ; - la figure 2 est une vue en élévation latérale détaillée d'un orifice d'enlèvement des matières solides et de la vanne de réglage de l'écoulement des matières solides qui lui est associée, pour l'appareil de la figure 1 ; - la figure 3 est une coupe faite suivant la ligne 3-3 de la figure 2 ;
-la figure 4 est une représentation schématique
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en coupe verticale d'une autre réalisation de mélangeur suivant l'invention, constitué par une enceinte contenant les solides, du type représenté sur la figure 1, cette encein- te étant enfermée à l'intérieur d'une enveloppe à seotion droite oarrée, qui est fermée à sa partie inférieure par une portion ayant la forme d'un tronc de cône; - la figure 5 est une coupe faite suivant la ligne 5-5 de la figure 4.
D'une manière générale, l'opération de mélange suivant la présente invention consiste à emprisonner une masse de matières solides hétérogènes dans une colonne élevée, à enlever de la masse dans une direction verticale dans l'en- semble et à l'intérieur d'un quart environ d'un rayon (ou à l'intérieur d'un quart environ de la distance du centre de la masse de matières solides à la paroi de la colonne) pris au niveau de l'enlèvement à l'intérieur de la périphérie de la masse, des quantités sensiblement égales de matières solides par unités de temps, ces enlèvements étant faits simultané- ment et au moyen d'un écoulement par gravité,
à partir d'un grand nombre de régions espacées dans le sens de la hauteur de la masse de matières solides et à des espacements angu- laires sensiblement égaux suivant la périphérie de la masse de matières solides, et à combiner les quantités sensible- ment égales de matières solides ayant une homogénéité de composition améliorée.
Ainsi qu'il apparaîtra dans la description qui va suivre, les matières solides hétérogènes que l'on désire mélanger sont tout d'abord rassemblées sous la forme d'une colonne s'élevant à une certaine hauteur, par exemple par emprisonnement h l'intérieur d'une enceinte en forme de tuyau
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vertical qui peut avoir des sections droites différentes en des points donnée sur toute l'étendue de sa hauteur mais qui, de préférence, a une sections droite généralement oiroulaire d'un bout à l'autre. Au cours du mélange, des matières soli- des sont enlevées simultanément d'un grand nombre de régions espacées sur toute l'étendue de la hauteur de la oolonne et en vue de l'obtention de meilleurs résultats,
on préfère maintenir des taux d'enlèvement de matière solides sensible- ment égaux pour chaque région individuelle do la colonne.
On préfère, en outre, effectuer l'enlèvement des matières so- lides au voisinage de la périphérie de la colonne de matières solides, bien qu'un tel enlèvement puisse être effectué radialement vers le centre jusqu'à 25 % environ du rayon de la colonne à un niveau donné d'enlèvement (ou jusqu'à 25 % de la distance entre le centre de la masse de matières solides et la paroi de la colonne pour les colonnes non cylindriques) sans qu'il en résulte des inconvénients gravés pour l'opération de mélange. Les fractions de matières soli- des enlevées sont ensuite combinées pour donner un produit ayant une homogénéité qui est améliorée d'une manière pronon- cée et qui peut être améliorée encore d'une manière mesura- ble par une ou plusieurs répétitionsdu cycle.
On obtient de meilleurs résultats en enlevant des matières solides dans une direction verticale dans l'ensemble, dirigée vers le bas à partir de l'accumulation de la masse, et l'on préfère par conséquent, enlever les différentes fractions de matières solides à travers des ouvertures dont les embouchures d'entrée soient dans un plan sensiblement horizontal, bien que certaines variations puissent être admises, naturellement, en cette matière. Toutefois, des
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orifices d'enlèvement au ras de la paroi intérieure de l'en- oeinte empêchent le libre écoulement des matières solides et, en outre, donnent des mélanges relativement médiocres.
En outre, on préfère aussi beauooup effeotuer l'enlèvement des matières solides le long de chemins de dé- chargement latéraux de manière à réduire les retenues de ma- tières solides à l'intérieur de l'enoeinte et à faciliter les opérations de nettoyage.
Sur la figure 1, on a représenté une réalisation préférée de mélangeur suivant l'invention qui a une capacité en matières solides hétérogènes qui est de 9.060 kg de cubes de polyéthylène, mesurant 3,175 mm de coté, ces cubes cons- tituant un produit commercial de l'industrie chimique, ainsi qu'il a été mentionné ci-dessus. L'enceinte du mélangeur est constituée par une partie cylindrique 10 ayant un diamè- tre intérieur de 2,900 m et une longueur de 2,940 m, cette partie cylindrique étant raccordée à son extrémité inférieure à une partie 11 en forme de cône renversé qui a une longueur de 2,380 m et qui est munie à son extrémité inférieure d'un orifice 12 d'enlèvement de la matière de 152 mm, de sorte que l'angle au sommet de la partie 11 est de 60 .
Le dessus de la partie 10 est fermé par un couvercle 16 formant dôme, qui est-muni d'une bride centrale de raccordement 17, à laquelle est fixé un raccord tubulaire, coudé à 1800 qui est destiné à assurer l'échappement à l'atmosphère de l'air transporteur venant de l'enceinte, tout en barrant l'accès vers l'intéri- eur de l'enceinte à la pluie et aux pressions atmosphériques.
L'enceinte de mélange est munie de neuf orifices d'enlèvement des matières solides. Ces orifices sont numé- rotés dans le sens de la hauteur depuis le n 1 qui désigne
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l'orifice le plus bas, c'est-à-dire l'orifice d'enlèvement 12 se'trouvant à l'extrémité inférieure de la partie conique 11, jusqu'au n 9 qui se trouve à une distance d'environ 1,00m de l'extrémité supérieure de la partie oylindrique 10. Le terme "orifioe" dont il est fait usage ioi est destiné à englober toute la conduite d'enlèvement des matières solides à l'intérieur de l'enceinte, y compris naturellement l'ou- verture d'entrée assurant la communication aveo l'enoeinte.
Vus d'en dessus, tous les orifices sont disposés suivant un trajet hélicoïdal qui se transforme en un trajet en spi- rale dans la partie inférieure conique, dans le sens des aiguilles d'une montre (les espacements angulaires entre orifices voisins étant de 90 %), les orifices qui se trou- vent dans la partie oylindrique 10 ayant un pas commun de 38 cm mesuré en direction verticale.
Cet espacement de 38 cm est adopté aussi pour l'orifice n 4 par rapport à l'orifice n 5, orifice d'enlèvement qui se trouve le plus bas dans la partie cylindrique 10, mais ensuite la distance de pas est augmentée pour avoir une valeur commune de 53 cm entre l'ori- fice n 4 et l'orifice n 3, entre l'orifice n 3 et l'orifi- ce n 2, l'orifice n 1 étant espacé de 114 cm de l'ouverture de l'orifice n 2. ' Il est bien évident que la disposition des orifices d'enlèvement ainsi que les tracés de leurs po- sitions relatives peuvent varier dans une assez large mesure. toutefois, la disposition décrite est une disposition écono- mique, ainsi qu'on a pu le vérifier par des essais poussés de rendement.
Il y a lieu de faire remarquer à ce sujet qu'un espacement angulaire de 90 des orifices constitue une bonne valeur pratique. Toutefois, il est avantageux de prévoir
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un nombre un peu plus grand d'orifices séparés par des dis- tances angulaires plus petites du fait que cela augmente la vitesse de vidage de l'enceinte et réserve aux orifices indi- viduels des régions plus localisées de la oolonne de matières solides.
D'un autre cote, il est possible aussi d'augmenter jusqu'à un certain degré l'espacement angulaire des orifices à l'intérieur de limites qu'il est difficile de définir d'une manière générale en raison des relations complexes entre les propriétés des matières solides en cause, telles que dimen- sions des particules, forme, cohésions, etc., d'une part, et les dimensions et la forme de l'enceinte de mélangeur, d'autre p.irt.
Tous lee orifices d'enlèvement sont de conception identique, ainsi que le montrent les figures 2 et 3. Ils peuvent comprendre, commodément, des goulottes 22 ayant une largeur de 75 mm ayant leurs extrémités rectangulaires ou- vertes 23"disposées dans un plan harizontal et s'étendant intérieurement aux parois de l'enceinte sur une longueur x qui, dans le cas présent, a une valeur d'environ 108 mm.
Les fonds des goulottes 22 sont inclinés d'un angle de 45 dans le cas de l'exemple décrit parce que le cube de polyéthy-; lène a un'angle d'éboulement de 38 environ, seulement.
Toutefois, il est bien évident que cette inclinaison peut être beaucoup plus raide pour les matières qui ont une ten- dance à former pour les matières qui ont une tendance à former des ponts ou à s'entasser quand elles sont en masse. Les parties supérieures extérieures des goulottes 22 sont fer- mées par des plaques 24 et les parties d'extrémité 25 sont complètement ouvertes de manière à permettre aux matières solides de sortir librement des goulottes dans un tuyau col-
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lecteur 26 de 100 mm, disposé verticalement.
La goulotte est fixée par un assemblage à brides 27 et au moyen de bou- lons au tuyau collecteur 26, Les goulottes sont fixées à l'enceinte par des brides classiques 28 fixées par boulons, et les ouvertures 29 dans les parois de l'enceinte recevant les goulottes présentent, de préférence, des garnitures d'obturation 30.
Chaque goulotte 32 est munie d'une vanne individu- elle d'étranglement, qui peut être constituée tout simple- ment par une plaque rotative 34 solidaire d'un arbre 35 pou- vant tourner et tourillonnant dans des paliers 36 montés sur les parois latérales à la goulotte. Une extrémité de cet arbre est allongée de manière à permettre la fixation d'un bras de levier 37 à l'extrémité extérieurs duquel est fixée une tige de manoeuvre 38, non représentée en détail.
Les extrémités inférieures des tiges de manoeuvre 38 s'éten- dent vers le bas jusqu'à un point où le personnel de conduite qui se trouve au niveau du sol, peut commodément faire avan- cer ou faire reculer les tiges par rapport aux plaques clas- siques (non représentées) de retenue du réglage calibré de la vanne, afin de régler ainsi les ouvertures d'enlèvement des matières solides aux dimensions désirées.
L'écoulement de matières solides venant de plusieurs orifices d'enlèvement peut aboutir à un tuyau oollecteur uni- que 26 et l'appareil typique de la figure 1 est desservi par un nombre total de quatre tuyaux seulement de ce genre. Le tuyau 26a reçoit l'écoulement des matières solides provenant des orifices n 2 et n 6, le tuyau 26b reçoit l'écoulement des matières solides provenant des orifices n 3 et n 7, le tuyau 26c est prévu pour les orifices n 5 et n 9 et le
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tuyau 26d pour lea orifices n 4 et n 8.
Pour simplifier la tuyauterie ainsi que pour améli- orer le mélange des matières solides, il est avantageux de ; grouper les écoulements davantage encore et l'on y parvient en prévoyant les raccords à trois branches 41 et 42. Le raccord 41 réunit les courants venant des tuyaux 26a et 26b en une sortie oommune 43, tandis que le raccord 42 réunit les courants venant des tuyaux 26c et 26d en une sortie com- mune 44. Les sorties 43 et 44 se déchargent respectivement dans les côtés entrée d'éléments d'alimentation rotatifs 45 et 46 qui peuvent être des dimensions commerciales 200 mm x
150 mm de diamètre, tels que ceux qui sont vendus par "Young
Machinery Sales Co.", ces éléments étant munis de volets coulissants, non représentés.
Un troisième élément rotatif d'alimentation 47 ayant les mêmes dimensions reçoit la sortie de l'orifice n 1 seulement et les trois éléments d'alimen- tation se déchargent à travers des raccords48 débouohant dans la conduite transporteuse commune 49 de 150 mm.
On préfère se servir, avec le mélangeur suivant l'invention, d'une propulsion pneumatique des matières solides.
Toutefois, il est bien évident que cela n'est essentiel en auoune manière et que l'on peut faire usage, si on le désire, de dispositifs équivalents tels que transporteurs à vis, élé- vateurs à godets, transporteurs à courroie ou transporteurs analogues. En tous cas, un transporteur mû mécaniquement d'un certain genre est nécessaire pour charger l'enceinte au début, pour recycler les matières solides afin de les faire passer plus d'une fois à travers le mélangeur, si on le désire, fet comme commodité .pour enlever le produit mélangé et l'ame- ner à d'autres appareils pour l'exécution du procédé.
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Dans le système pneumatique représenté en détail, on a obtenu entière satisfaction avec une soufflante "Inger- sool Rand Co." de 20 CV, tourant à raison de 1750 tpm, désigné dans l'ensemble par le repère 50, la sortie de cette souf- flante étant reliée à la conduite transporteuse 49. Des oonnexions supplémentaires à la conduite 49, non représentées en détail et se trouvant immédiatement en aval de la sortie de la soufflante 50, fournissent une entrée pour l'intro- duction initiale de la charge de matières solides hétérogè- nes dans le mélangeur. On peut aussi, si on le désire, effectuer le chargement initial au moyen d'une conduite supérieure 39, alimentée par une source extérieure.
L'air soufflé par la soufflante 50 à travers la conduite 49 entraine des matières solides dans cette dernière et avec des réglages appropriés de soupapes, qui seront dé- crits plus loin, fait avancer de la matière pour l'introduire dans l'enceinte de mélangeur à travers la conduite 51 qui débouche, de préférence, dans la partie supérieure de l'en- ceinte à travers une ouverture de sortie 52 orientée tangen- tiellement.
L'air d'entraînement s'échappe à l'atmosphère à travers le raccord 18, en laissant les matières solides réparties d'une matière tout à fait uniforme au-dessus du plan du niveau à pleine charge qui est représenté schémati- certaines quement sous le repère 53. Avec/matières solides, il est bon de prévoir plusieurs ouvertures de sortie 52 et, dans ce cas, l'extrémité supérieure de la conduite 51 peut présenter un collecteur d'où partent plusieurs branches pour aboutir en des points répartis suivant la périphérie intérieure supéri- eure de l'enceinte.,
La conduite 51 est munie d'une vanne de déviation
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54 du type en Y, que l'on peut se procurer dans le commerce, et qui débouche dans une consuite 55 d'évacuation du produit homogène,
de aorte que lorsque le volet ou plaque de vanne est dans sa position de droite 56a, la communication est maintenue à travers la conduite 51 et que les matières solides sont recyclées par la soufflante 50 qui les ramène au mélan- geur. D'un autre côté, quand la plaque 56 de la vanne est dans sa position de gauche 56b, du produit est débité à travers la conduite d'évacuation 55 jusqu'à ce que l'enceinte de mé- lange soit complètement vidée. Si on le désire, on peut aussi placer la plaque de vanne dans une position intermédiai- re enre sa position extrême de gauche et sa position extrême de droite, ce qui permet d'obtenir un débit limité de produit, accompagné par un recyclage de la fraction restante.
Dans un type de fonctionnement, tous les orifices d'enlèvement sont entièrement fermés au début tandis que l'enceinte de mélange est remplie jusqu'au niveau indiqué soue le repère 53, niveau qui dans le présent exemple se trouve à 60 cm environ de l'extrémité supérieure de la partie cylindrique 10, pour permettre que les matières solides se dégagent complètement de l'air d'entratnement. On règle alors toutes les vannes, en agissant sur les tiges de com- mande 36, pour donner un taux d'écoulement par gravité des matières solides qui soit sensiblement le même à travers les neuf orifices d'enlèvement des solides n 1 à n 9.
Il est bien évident que les écoulements normaux à travers ces orifices sont fonction des charges exercées par les matières solides se trouvant au-dessus et que la vanne n 9 p@ut être maintenue avec une ouverture plus grande que ne le sera, par exemple, celle qui correspond au n 5. L'écoulement
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total à travers toutes les vannes ne doit pas être plus grand que les possibilités de la soufflante 50 pour assurer l'évacuation à travers la conduite 59, de sorte que la sortie de la soufflante ne s'engorge jamais.
Dans un autre type de fonctionnement, oonvenant particulièrement dans le cas où il est fait usage de moyens indépendants de la soufflante 50 pour charger au début le mé- langeur, par exemple dans le cas où il est fait usage de la conduite 39 décrite ci-dessus, il est possible de procéder au recyclage en même temps que s'effectue le remplissage du mélangeur en matières solides hétérogènes, et cela en main- tenant les orifices d'enlèvement ouverts dans cet intervalle et en faisant fonctionner la soufflante 50, ce qui réduit en conséquence le temps total de mélange.
Des essais étendus ont montré que l'on obtient un degré de mélange surprenant, même par une décharge unique de matières solides complètement isolées constituées par des couches successives de matières solides de couleurs diffé- tentes empilées l'une sur l'autre. C'est ainsi qu'un passage unique a donné un mélange complet à ¯ 2,5 % près. Avec un recyclage unique, on a obtenu une amélioration à ¯ 2,0 % près, tandis que le troisième cycle a donné une qualité supé- rieure de ! 1,5 %.
Tout cela a été réalisé aveo seulement la dépense d'énergie nécessaire pour recycler le produit en le ramenant au mélangeur pour des passages supplémentaires, et l'on a obtenu une qualité finale représentant une amélio- ration bien déterminée par rapport au meilleur produit pou- vant être obtenu avec un mélangeur olassique à vis aveo une économie de temps ae cyclage de 30 %.
Un cycle typique a compris le chargement de l'ap-
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Pareil, toutes les vannes 34 étant fermées pendant une pério- de de une heure, le mélange de la charge complète pendant une période de une heure, période pendant laquelle deux passa- ges de la charge complète à travers le mélangeur ont été exé- @@tés, et l'enlèvement du produit hors du système qui a de- manda une heure. Ainsi donc, la durée totale du cycle, pour ,-vue charge de 9060 kg de matières solides, a été de trois heures.
Sur les figures 4 et 5, on a représenté une seconde réalisation d'un mélangeur suivant l'invention dans lequel la tuyauterie est considérablement simplifiée en enfermant l'enceinte entière, analogue à oelle de la figure 1, et désignée dans son ensemble par le repère 58, à l'intérieur d'une enveloppe- 59 qui présente à sa partie inférieure une extrémité 60 en forme de tronc de cône.
Dans ce cas, les orifices d'enlèvement 61 (numérotés de nouveau de 1 à 9 pour faciliter une comparaison avec la Fig. 1) sont des raccorde qui sont munis chacun d'une vanne, à choisir dans un grand choix de vannes d'étranglement (non représentées) qui se déohargent toutes dans un espace collecteur commun comprenant le dégagement 62 des sommets ainsi que l'intervalle entre enveloppe et partie inférieure conique, désigné d'une ma- niera générale par le repère 63, ainsi que le montre la représentation donnée par les flèches. Les matières solides sont alors enlevées à travers l'ouverture de sortie 64 et elles sont, ou bien recyclées de la manière précédemment déorite, ou bien fournies sous forme de produit homogène.
Il est bien évident qu'on peut, si on le désire, subatituer une enceinte 58 à section droite carrée à l'en- ceinte 58 à section droite circulaire représentée sur les
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figures 4 et 5, et enfermer l'enceinte à section droite carrée dans une enveloppe à section droite circulaire pour obtenir un espace de rassemblement des matières solides for- mant un entourage continu. Toutefois, la symétrie de l'éoou- lement latéral des matières solides obtenue aveo une construc- tion à section droite circulaire fait qu'on donne la préfé- rence à cette dernière.
Naturellement, on peut faire varier dans'une large mesure les enceintes de mélange, les orifices d'enlèvement des matières solides et les tracés de leur disposition, ainsi que l'appareil auxiliaire utilisé, afin de satisfaire aux exigences particulières imposées par les propriétés du pro- duit, par les facilités d'adaptation à l'installation voisine et par d'autres considérations.
Ainsi, avec oertaines matiè- res extrêmement mobiles, il est possible de se passer de tous les orifices dans la partie terminale conique 11 du mé- langeur, exception faite pour la sortie se trouvant au sommet, tandis qu'avec la plupart des substances il existe une zone plus ou moins permanente de matière dormante à la jonction de la partie cylindrique 10 avec le cône inférieur 11 ; les orifices à ouverture latérale se trouvant dans cette dernière zone agissent pour produire le mouvement de cette matière dormante. En outre, il y a une enveloppe à mouvement lent de matières solides au voisinage de la surface intérieure du cône 11.
L'épaisseur de cette enveloppe varie depuis un maxi- mum atteint à la partie supérieure de ladite enveloppe jusqu'à la valeur zéro à l'ouverture n 1, Le déchargement progressif de cette enveloppe est favorisé par des ouvertures latérales. Il est facultatif de disposer des orifices dans
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le cône 11, étant donné que les quantités, proportionnées de matières solides maintenues immobiles en l'absence de ces orifices sont petites en tout cas. Toutefois, une disposi- tion qui a donné particulièrement satisfaction est oelle qui est représentée sur la figure 1.
Dans ce cas, il est prévu trois orifices à ouverture latérale n 4, n 3 et n 2 qui sont disposés à 90 l'un de l'autre suivant un tracé en spi- rale à l'intérieur du cône, l'orifice n 4 étant disposé à 7 % environ au-dessous de la jonction de la partie cylin- drique 10 avec le c8ne 11, tandis que l'orifice n 3 se trouve à environ 30 % au-dessous et que l'orifice n 2 se trouve à environ 48 % au-dessous. D'une manière générale, des ori- fices espacés de 90 aux différents niveaux au-dessous de cette jonction de 10 %, 30 % et 50 % sont avantageux et na- turellement, il peut être prévu en supplément des orifices intermédiaires pour des mélangeurs de très grandes dimensions en vue de l'obtention de meilleurs résultats.
D'une manière analogue, on peut faire varier dans une large mesure la disposition d'orifices pour la partie cylindrique 10. On a constaté toutefois qu'un mélange parti- culièrement bon est obtenu dans le cas où il est prévu des orifices sur au moins 80 % de la partie inférieure de la hauteur.
Il est, en outre, évident que les proportions rela- tives des différentes parties des enceintes de mélange peuvent varier dans une large mesure. A titre d'exemple, il a été construit un appareil dans lequel on a pu faire varier de 1 : 1 à 1 : 4 le rapport entre le diamètre et la hauteur de la partie cylindrique 10 tout en conservant une bonne effi- cacité de mélange. Lorsque la hauteur augmente au-delà du
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rapport 1 : 4, l'effet relatif du déplacement vertical de matières solides devient disproportionné et habituellement l'efficacité du mélange des matières solides diminue.
Toute- fois, la diminution de l'efficacité est progressive et en outre, on ne l'observe pas inévitablement, étant donné que les propriétés physiques des matières solides subissant le mélange peuvent exercer un effet dominant et que dans cer- tains cas un rapport de 1 : 5 ou même plus grand pourrait être préférable.
Les raisons des améliorationstrès prononoées obtenues avec l'invention ne sont pas bien comprises, du fait que des tracés très complexes d'écoulement radial et d'écoulement vertical-radial résultant semblent exister à l'intérieur du mélangeur pendant l'opération, qui produisent une action de mélange immédiate, ainsi que permet de le cons- tater l'examen d'échantillons d'essai retirés des tuyaux collecteurs 26a à 26d. En outre, le recyclage par l'air soufflé entraîné assure un degré plus poussé de mélange et le résultat d'enaemble est une action de mélange extrêmement efficace et extrêmement rapide, qui est supérieure à oelle obtenue avec tous les autres équipements co nnus.
Naturellement, l'invention ne doit pas être consi- dérée comme limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs et qui sont susceptibles de recevoir diverses variantes rentrant dans le cadre et dans l'espris de l'in- vention.
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Method and apparatus for mixing solids.
Proposed qualification - IMPORT PATENT
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The present invention relates to a method and apparatus for mixing solids, and in particular to a type of mixing by means of gravity flow, in which solids are simultaneously removed from a large number of levels. found inside the heterogeneous mass of solids, at points adjacent to the periphery of the latter, then reoombinated and, optionally, recycled to the enclosure one or more times.
A mixture of solids is desirable in many manufacturing processes and particularly in those processes in which the solids are the products of individual loading operations and therefore have more or less variable properties. A typical example taken from the chemical industry is the manufacture of polyethylene in which the product is in the form of cubes with a side measuring about 3.15 mm. Heretofore, the general practice has been to mix solids with screw type mixers or with an elbow type apparatus which has the characteristic of dispersing solids throughout the mass. by stirring, while the entire mass was trapped inside the enclosure.
These ways of proceeding are unacceptable from the point of view of energy consumption, installation costs and maintenance costs and, moreover, intimate mixing under these conditions requires
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relatively long processing time and even if this condition is satisfied, the product is not usually mixed to the desired degree of uniformity,
One of the objects of the invention is to provide a method and an apparatus for effecting mixing, which functions entirely by means of gravity flow, except for the energy required to recycle the product, and which requires only low installation and maintenance expenses.
Further objects of the invention are to provide a method and apparatus for effecting a mixing which has an improved mixing effect, which shortens the processing time and which has an increased yield per unit volume and which is of a design such that existing screw type mixers can be converted very quickly if desired.
The manner in which the objects defined above as well as other objects of the invention are achieved will be demonstrated by the detailed description which follows, as well as by the appended drawings in which: FIG. 1 is an elevational view side of a preferred embodiment of a mixer according to the invention, the details of the valves not having been shown; Figure 2 is a detailed side elevational view of a solids removal port and associated solids flow control valve for the apparatus of Figure 1; - Figure 3 is a section taken along line 3-3 of Figure 2;
FIG. 4 is a schematic representation
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in vertical section of another embodiment of a mixer according to the invention, consisting of an enclosure containing the solids, of the type shown in FIG. 1, this enclosure being enclosed inside a casing with a straight oarré seotion, which is closed at its lower part by a portion having the shape of a truncated cone; - Figure 5 is a section taken along line 5-5 of Figure 4.
Generally speaking, the mixing operation according to the present invention consists of trapping a mass of heterogeneous solids in a high column, removing mass in a vertical direction throughout and within it. '' about a quarter of a radius (or within about a quarter of the distance from the center of the mass of solids to the column wall) taken at the level of the cutout within the periphery of the mass, substantially equal quantities of solids per unit of time, these removals being made simultaneously and by means of a flow by gravity,
from a large number of regions spaced out vertically from the mass of solids and at substantially equal angular spacings along the periphery of the mass of solids, and combining the substantially equal amounts solids having improved compositional homogeneity.
As will become apparent from the description which follows, the heterogeneous solids which it is desired to mix are first of all collected in the form of a column rising to a certain height, for example by imprisonment h the. interior of a pipe-shaped enclosure
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vertical which may have different straight sections at given points over the full extent of its height but which preferably has a generally straight section from end to end. During mixing, solids are simultaneously removed from a large number of regions spaced throughout the height of the column and in order to obtain better results.
it is preferred to maintain substantially equal solids removal rates for each individual region of the column.
It is further preferred to effect the removal of solids in the vicinity of the periphery of the column of solids, although such removal can be effected radially towards the center up to about 25% of the radius of the column. column at a given level of removal (or up to 25% of the distance between the center of the mass of solids and the wall of the column for non-cylindrical columns) without resulting in drawbacks engraved for the mixing operation. The solids fractions removed are then combined to give a product having a homogeneity which is markedly improved and which can be further measurably improved by one or more repetitions of the cycle.
Best results are obtained by removing solids in an overall vertical direction, directed downward from the build-up of the mass, and it is therefore preferred to remove the different fractions of solids through openings whose inlet openings are in a substantially horizontal plane, although some variations may be allowed, of course, in this matter. However,
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Removal holes flush with the interior wall of the enclosure prevent the free flow of solids and furthermore give relatively poor mixes.
In addition, it is also preferred to carry out the removal of solids along side discharge paths so as to reduce the hold-ups of solids within the enclosure and to facilitate cleaning operations.
In Figure 1, there is shown a preferred embodiment of a mixer according to the invention which has a capacity of heterogeneous solids which is 9,060 kg of polyethylene cubes, measuring 3.175 mm on a side, these cubes constituting a commercial product of the chemical industry, as mentioned above. The mixer enclosure consists of a cylindrical part 10 having an internal diameter of 2.900 m and a length of 2.940 m, this cylindrical part being connected at its lower end to a part 11 in the form of an inverted cone which has a length. 2.380 m and which is provided at its lower end with a 152 mm material removal hole 12, so that the angle at the top of part 11 is 60.
The top of part 10 is closed by a cover 16 forming a dome, which is provided with a central connecting flange 17, to which is fixed a tubular connector, bent at 1800 which is intended to ensure the exhaust to the atmosphere of the conveying air coming from the enclosure, while blocking access to the interior of the enclosure to rain and atmospheric pressure.
The mixing enclosure has nine solids removal ports. These orifices are numbered in the direction of the height from the n 1 which designates
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the lowest hole, i.e. the removal hole 12 at the lower end of the conical part 11, up to n 9 which is at a distance of about 1 , 00m from the upper end of the cylindrical part 10. The term "orifioe" used ioi is intended to encompass the entire line for removing solids inside the enclosure, including of course the 'input opening ensuring communication with the speaker.
Seen from above, all the orifices are arranged in a helical path which turns into a spiral path in the conical lower part, in a clockwise direction (the angular spacings between neighboring ports being 90 %), the holes in the cylindrical part 10 having a common pitch of 38 cm measured in the vertical direction.
This 38 cm spacing is also adopted for the hole # 4 with respect to the hole # 5, the removal hole which is lowest in the cylindrical part 10, but then the pitch distance is increased to have a common value of 53 cm between port n 4 and port n 3, between port n 3 and port n 2, port n 1 being spaced 114 cm from the opening of orifice 2. It is obvious that the arrangement of the removal orifices as well as the traces of their relative positions can vary to a fairly large extent. however, the arrangement described is an economical arrangement, as has been verified by extensive performance testing.
It should be noted in this connection that a 90-degree angular hole spacing is a good practical value. However, it is advantageous to provide
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a somewhat larger number of orifices separated by smaller angular distances because this increases the rate of emptying of the enclosure and reserves for the individual orifices more localized regions of the column of solids.
On the other hand, it is also possible to increase to a certain degree the angular spacing of the orifices within limits which are difficult to define in a general way due to the complex relations between the holes. properties of the solids involved, such as particle sizes, shape, cohesions, etc., on the one hand, and the dimensions and shape of the mixer enclosure, on the other hand.
All of the removal holes are of identical design as shown in Figures 2 and 3. They may conveniently include chutes 22 having a width of 75 mm having their open rectangular ends 23 "arranged in a horizontal plane. and extending internally to the walls of the enclosure for a length x which in this case has a value of about 108 mm.
The bottoms of the chutes 22 are inclined at an angle of 45 in the case of the example described because the cube of polyethy-; The rock has a landslide angle of about 38, only.
However, it is quite evident that this inclination can be much steeper for materials which have a tendency to form for materials which have a tendency to bridge or pile up when in bulk. The outer upper parts of the chutes 22 are closed by plates 24 and the end parts 25 are fully open so as to allow solids to freely exit the chutes into a collared pipe.
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reader 26 of 100 mm, arranged vertically.
The chute is fixed by a flanged assembly 27 and by means of bolts to the header pipe 26, The chutes are fixed to the enclosure by conventional flanges 28 fixed by bolts, and the openings 29 in the walls of the enclosure receiving the chutes preferably have sealing packings 30.
Each chute 32 is provided with an individual throttle valve, which may be constituted quite simply by a rotating plate 34 integral with a shaft 35 capable of rotating and journaling in bearings 36 mounted on the side walls. to the chute. One end of this shaft is elongated so as to allow the attachment of a lever arm 37 to the outer end of which is fixed an operating rod 38, not shown in detail.
The lower ends of the operating rods 38 extend downward to a point where the operating personnel, at ground level, can conveniently advance or retract the rods relative to the standard plates. - Siques (not shown) for retaining the calibrated adjustment of the valve, in order to thus adjust the solids removal openings to the desired dimensions.
The flow of solids from several removal ports may terminate in a single collector pipe 26 and the typical apparatus of Figure 1 is served by a total number of only four such pipes. Hose 26a receives the flow of solids from ports # 2 and # 6, hose 26b receives flow of solids from ports # 3 and # 7, hose 26c is provided for ports # 5 and # 9 and the
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pipe 26d for ports # 4 and # 8.
To simplify the piping as well as to improve the mixing of solids, it is advantageous to; group the flows even more and this is achieved by providing the three-branch connectors 41 and 42. The connector 41 brings together the currents coming from the pipes 26a and 26b in a common outlet 43, while the connector 42 combines the currents coming from the pipes. pipes 26c and 26d at a common outlet 44. The outlets 43 and 44 discharge respectively into the inlet sides of rotary feed elements 45 and 46 which may be of commercial dimensions 200 mm x
150mm in diameter, such as those sold by "Young
Machinery Sales Co. ", these elements being fitted with sliding shutters, not shown.
A third rotary feed member 47 having the same dimensions receives the outlet from port # 1 only and the three feed members discharge through fittings 48 opening into the common 150mm conveyor line 49.
It is preferred to use, with the mixer according to the invention, a pneumatic propulsion of the solids.
However, it is obvious that this is not essential in any other way and that use can be made, if desired, of equivalent devices such as screw conveyors, bucket elevators, belt conveyors or the like. . In any case, a mechanically driven conveyor of some kind is needed to load the enclosure at the start, to recycle the solids in order to pass them more than once through the mixer, if desired, and as convenience of removing the mixed product and feeding it to other apparatus for carrying out the process.
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In the pneumatic system shown in detail, complete satisfaction has been obtained with an "Ingersol Rand Co." blower. 20 HP, rotating at 1750 rpm, generally designated by the reference 50, the outlet of this blower being connected to the conveyor pipe 49. Additional connections to the pipe 49, not shown in detail and are located immediately downstream of the outlet of blower 50, provides an inlet for the initial introduction of the charge of heterogeneous solids into the mixer. It is also possible, if desired, to carry out the initial loading by means of an upper pipe 39, supplied by an external source.
The air blown by the blower 50 through the duct 49 entrains solids in the latter and with appropriate valve settings, which will be described later, advances material to introduce it into the enclosure. mixer through conduit 51 which preferably opens into the upper part of the enclosure through an outlet opening 52 oriented tangentially.
The drive air escapes to the atmosphere through fitting 18, leaving the solids distributed of quite uniform material above the plane of the fully loaded level which is shown schematically. under the reference 53. With / solids, it is advisable to provide several outlet openings 52 and, in this case, the upper end of the pipe 51 may have a collector from which several branches leave to end at distributed points. along the upper inner periphery of the enclosure.,
Line 51 is fitted with a bypass valve
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54 of the Y-type, which can be obtained commercially, and which opens into a pipe 55 for discharging the homogeneous product,
therefore that when the shutter or valve plate is in its right-hand position 56a, communication is maintained through line 51 and the solids are recycled by blower 50 which returns them to the mixer. On the other hand, when the valve plate 56 is in its left position 56b, product is delivered through the discharge line 55 until the mixing enclosure is completely emptied. If desired, the valve plate can also be placed in an intermediate position between its extreme left position and its extreme right position, which makes it possible to obtain a limited product flow, accompanied by recycling of the product. remaining fraction.
In one type of operation, all of the removal ports are fully closed at the start while the mixing chamber is filled to the level shown at mark 53, which level in this example is approximately two feet from the line. the upper end of the cylindrical part 10, to allow the solids to completely escape from the entrainment air. All valves are then adjusted, acting on control rods 36, to give a gravity flow rate of solids which is substantially the same through the nine solids removal ports # 1 through # 9. .
It is obvious that the normal flows through these orifices are a function of the loads exerted by the solids above and that the valve n 9 can be kept with a larger opening than will be, for example, that which corresponds to n 5. The flow
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total through all the valves should not be greater than the capability of blower 50 to provide discharge through line 59, so that the blower outlet never clogs.
In another type of operation, particularly suitable in the case where use is made of means independent of the blower 50 to load the mixer at the start, for example in the case where use is made of the pipe 39 described above. above, it is possible to proceed with the recycling at the same time as the filling of the mixer with heterogeneous solids takes place, and this by keeping the removal orifices open in this interval and by operating the blower 50, which accordingly reduces the total mixing time.
Extensive tests have shown that a surprising degree of mixing is obtained even by a single discharge of completely isolated solids consisting of successive layers of solids of different colors stacked on top of each other. Thus, a single pass gave complete mixing to within ¯ 2.5%. With a single recycle, an improvement of ¯ 2.0% was obtained, while the third cycle gave a higher quality of! 1.5%.
All this has been achieved with only the expenditure of energy necessary to recycle the product by returning it to the mixer for additional passes, and a final quality has been obtained representing a definite improvement over the best product for. to be obtained with an olassic screw mixer with a 30% saving in cycling time.
A typical cycle involved charging the device
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Likewise, with all valves 34 closed for a period of one hour, mixing of the full charge for a period of one hour, during which time two passes of the full charge through the mixer were made. @ tees, and removal of the product from the system which took an hour. Thus, the total cycle time, for a load of 9060 kg of solids, was three hours.
In Figures 4 and 5, there is shown a second embodiment of a mixer according to the invention in which the piping is considerably simplified by enclosing the entire enclosure, similar to that of Figure 1, and designated as a whole by the reference 58, inside an envelope- 59 which has at its lower part an end 60 in the form of a truncated cone.
In this case the removal ports 61 (numbered again from 1 to 9 for ease of comparison with Fig. 1) are fittings which are each provided with a valve, to be chosen from a variety of valves from constriction (not shown) which all unload in a common collector space comprising the clearance 62 of the vertices as well as the interval between the envelope and the conical lower part, generally designated by the reference 63, as shown in representation given by arrows. The solids are then removed through the outlet opening 64 and they are either recycled in the previously deorite manner or else supplied as a homogeneous product.
It is obvious that one can, if desired, substitute an enclosure 58 with a square cross section for the enclosure 58 with a circular cross section shown in the figures.
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Figures 4 and 5, and enclose the enclosure with a square cross section in an envelope with a circular cross section to obtain a space for collecting solids forming a continuous surround. However, the symmetry of the lateral flow of the solids obtained with a construction with a circular cross section makes the latter preferred.
Of course, the mixing chambers, the solids removal openings and the patterns of their arrangement, as well as the auxiliary apparatus used, can be varied to a great extent in order to meet the particular requirements imposed by the properties of the material. product, by the ease of adaptation to the neighboring installation and by other considerations.
Thus, with some extremely mobile materials, it is possible to dispense with all the orifices in the conical end part 11 of the mixer, except for the outlet at the top, while with most substances it is there is a more or less permanent zone of dormant material at the junction of the cylindrical part 10 with the lower cone 11; the side-opening orifices in this latter zone act to produce the movement of this dormant material. In addition, there is a slow moving envelope of solids in the vicinity of the interior surface of cone 11.
The thickness of this envelope varies from a maximum reached at the upper part of said envelope to the zero value at opening n 1. The gradual unloading of this envelope is favored by lateral openings. It is optional to have the orifices in
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the cone 11, since the proportionate amounts of solids kept immobile in the absence of these orifices are small in any case. However, one arrangement which has given particular satisfaction is that which is shown in FIG. 1.
In this case, three side-opening orifices n 4, n 3 and n 2 are provided which are arranged at 90 to each other in a spiral path inside the cone, the orifice n 4 being disposed approximately 7% below the junction of the cylindrical part 10 with the c8ne 11, while the port n 3 is located approximately 30% below and the port n 2 is about 48% below. In general, orifices spaced 90 apart at the various levels below this junction by 10%, 30% and 50% are advantageous and, of course, intermediate orifices may be provided in addition for mixers. very large dimensions in order to obtain better results.
Similarly, the arrangement of the orifices for the cylindrical part 10 can be varied to a large extent. However, it has been found that a particularly good mixing is obtained in the case where orifices are provided on the side. minus 80% of the lower part of the height.
It is further evident that the relative proportions of the different parts of the mixing chambers can vary to a large extent. By way of example, an apparatus has been constructed in which the ratio between the diameter and the height of the cylindrical part 10 could be varied from 1: 1 to 1: 4 while maintaining good mixing efficiency. . When the height increases beyond the
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ratio 1: 4, the relative effect of vertical displacement of solids becomes disproportionate and usually the efficiency of mixing solids decreases.
However, the decrease in efficiency is gradual and furthermore not inevitably observed, since the physical properties of the solids undergoing mixing may exert a dominant effect and in some cases a ratio. of 1: 5 or even larger might be preferable.
The reasons for the very pronounced improvements obtained with the invention are not well understood, as very complex radial flow and resulting vertical-radial flow patterns appear to exist inside the mixer during operation, which produce immediate mixing action, as can be seen by examination of test samples withdrawn from header pipes 26a to 26d. Further, the recirculation by the entrained blown air ensures a higher degree of mixing and the overall result is an extremely efficient and extremely rapid mixing action, which is superior to that obtained with all other known equipment.
Naturally, the invention should not be considered as limited to the embodiments described and shown which have been given only by way of nonlimiting examples and which are liable to receive various variants falling within the scope and within the scope of the invention. the spirit of the invention.