Appareil de distribution d'un liquide visqueux La présente invention a pour objet un appareil de distribution d'un liquide visqueux s'écoulant sous pression dans une tuyauterie, comprenant plusieurs stations de distribution alimentées à partir de prises de soutirage réparties le long de la tuyauterie, une station finale étant alimentée par l'extrémité de la tuyauterie.
L'appareil selon l'invention est plus particulière ment destiné à la distribution d'un polymère fondu alimentant des organes de filage transformant ce polymère en filament.
Dans les procédés de filage de polymères syn thétiques, tels que le polyhexaméthylène adipamide, il est avantageux au point de vue de la productivité et l'uniformité du produit obtenu d'alimenter une série de têtes de filage à partir d'un seul récipient de fusion. Pour obtenir ce résultat, chaque tête de filage peut être alimentée individuellement par une tuyauterie provenant directement du récipient de fusion. On peut aussi alimenter plusieurs têtes de filage à partir d'une même tuyauterie, cette dernière étant disposée de façon à créer une circulation fer mée ramenant le polymère au récipient de fusion.
Le polymère fondu doit être fourni sous une pres sion suffisante pour assurer un débit uniforme tout le long de la ou des tuyauteries. A ce point de vue, il est évident que la disposition des tuyauteries est plus simple, que les moyens pour maintenir le pro duit à une température désirée sont moins importants et qu'une pression inférieure est nécessaire si plu sieurs têtes de filage sont alimentées à partir d'une tuyauterie commune.
Pour obtenir l'uniformité de distribution désirée dans le cas où un seul four de fusion alimente plu sieurs têtes de filage, il est important d'assurer que chaque tête de filage soit alimentée avec du polymère ayant accompli son parcours en un temps égal depuis le récipient de fusion.
En d'autres termes, le temps de parcours moyen du flux de polymère extrudé de chaque tête de filage, doit être approxi mativement le même. Cette exigence provient du fait que certaines matières filées à l'état fondu, telles que le nylon par exemple, se dégradent et modifient leurs caractéristiques physiques et chimiques lorsqu'elles sont maintenues à la température élevée qui est nécessaire pour assurer leur fluidité. Par conséquent, pour obtenir des résultats uniformes, il est nécessaire que la dégradation si elle ne peut pas être négligea ble,
soit au moins approximativement la même dans les différentes stations de filage. Lorsqu'un polymère fondu s'écoule dans une tuyauterie usuelle, le temps de parcours du polymère jusqu'à chaque section de la tuyauterie, dépend de la longueur de la tuyauterie jusqu'au point considéré. Plus le chemin est long, plus le temps de parcours est long et plus la dégra dation du polymère est importante.
Lorsqu'une matière visqueuse telle qu'un poly mère fondu s'écoule dans la tuyauterie, le liquide situé au voisinage de l'axe s'écoule plus rapidement que celui qui est situé au voisinage des parois. Le flux est laminaire et dans une tuyauterie cylindrique, présente une symétrie axiale.
L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce que les prises de soutirage comprennent chacune un organe de soutirage annulaire agencé de façon à récolter une portion annulaire externe du liquide vis queux s'écoulant dans la tuyauterie, et en ce que les dimensions internes de cette dernière et les dis tances entre les prises de soutirage sont fixées de telle façon que les rapports entre les temps de par- cours moyens desdites portions de liquide aient des valeurs prédéterminées.
Le temps de parcours moyen dont il est question ici est la moyenne arithmétique des temps de par cours des différents filets annulaires de liquide qui constituent la portion d'écoulement dont on déter mine le temps de parcours moyen.
En variante, les dimensions de la tuyauterie peuvent être choisies de façon à donner une série de temps de parcours moyens différents les uns des autres.
Quand la tuyauterie est utilisée pour alimenter des têtes de filage, les quantités de liquide soutirées aux différentes stations sont généralement contrôlées par des pompes volumétriques telles, par exemple, que des pompes à engrenage placées à l'amont de chaque tête de filage.
Comme l'écoulement dans la tuyauterie est lami naire, il n'y a pas de mélange des différents flux les uns avec les autres. Pour que les temps de par cours moyens soient égaux, les dimensions de la tuyauterie doivent être choisies de façon que les cou rants aboutissant aux différentes prises occupent à l'intérieur de la tuyauterie des volumes proportion nels au débit de leur prise. Lorsqu'on désire obtenir des temps de parcours moyens différents, le rapport entre le volume occupé par chaque courant et le débit correspondant doit être égal au temps de par cours désiré.
Pour déterminer le volume occupé par chaque courant, il est nécessaire de connaître les lois qui régissent l'écoulement de la matière utilisée dans la tuyauterie dont la forme a été établie. Ce calcul est grandement simplifié lorsqu'on utilise des tuyauteries cylindriques et que la division du flux se fait selon une symétrie axiale. Elle est en outre également simplifiée lorsqu'on peut admettre que l'écoulement est newtonien. En effet, dans ce cas, la partie extérieure M du débit dans la tuyauterie occupe une partie égale à
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du volume de la tuyauterie.
Ces conditions peuvent être admises dans le cas d'écoulement de polyhexaméthylène adipamide (nylon 66) à l'état fondu en vue du filage par fusion. Il est relativement facile de calculer les différents volumes décroissant successivement des portions de tuyauteries pour un nombre donné de prises de sou tirage en admettant par exemple que les longueurs des segments de tuyauteries entre les prises de sou tirage sont égales.
A chaque station la portion annulaire externe du liquide peut être extraite, le reste du liquide con tinuant son chemin dans la tuyauterie qui, générale ment, est de diamètre réduit. En fait, les tests ont montré que le 99 % du liquide extrait à chaque prise provient de la partie annulaire extérieure corres pondante.
Une autre conséquence importante est que le liquide s'écoulant à très faible vitesse le long des parois de la tuyauterie n'ayant pas à parcourir une distance plus grande que l'espacement entre deux stations de soutirage, très peu de liquide reste dans la tuyauterie suffisamment longtemps pour se géli fier malgré la tendance que présentent certains poly mères à subir cette transformation lorsqu'ils sont maintenus en fusion durant un certain temps.
L'appa reil permet incontestablement d'améliorer les condi tions de travail lorsqu'on le compare avec les appa reils à alimentation directe le long de tuyauteries individuelles.
Si, par exemple, la tuyauterie est destinée à dis tribuer des quantités égales de polymère fondu à quatre têtes de filage avec des temps de parcours égaux, le volume du segment de tuyauterie entre l'entrée et la première station de soutirage étant appelé V, le volume du segment de tuyauterie entre la première et la seconde station de soutirage sera 0,5 V, celui de la section de tuyauterie entre la seconde et la troisième stations 0,31 V et celui de la section de tuyauterie entre la troisième station et l'extrémité 0,19 V.
On peut calculer que si les seg ments sont de longueur égale et si la pompe extrême est située à une distance donnée de l'alimentation, la pression nécessaire dans un tel système n'est que le quart de celle qui est nécessaire pour distribuer la même matière avec le même temps de parcours moyen au moyen de tuyauteries individuelles. En outre, à chaque tête de filage, la quantité de polymère ayant subi un déplacement très lent et par consé quent, ayant un temps de parcours très long, sera beaucoup moins grande que dans le cas de tuyau teries individuelles laissant passer des débits égaux.
Diverses formes d'exécution de l'appareil selon l'invention vont maintenant être décrites à titre d'exemple en se référant au dessin annexé dont la fig. 1 est un schéma montrant une tuyauterie de distribution d'un polymère synthétique fondu avec quatre stations de soutirage ;
la fig. 2 est une vue en coupe schématique d'une forme d'exécution d'une station de soutirage, la fig. 3 est une vue en coupe schématique d'une autre forme d'exécution d'une station de soutirage, la fig. 4 est une vue en coupe schématique d'une station de soutirage dans laquelle la prise du fluide se fait à l'aval du point de soutirage, la fig. 5 est une vue en coupe schématique d'une forme d'exécution d'une station de soutirage présen tant une chambre de soutirage annulaire, la fig. 6 représente une variante de la forme d'exécution de la fig. 5,
la fig. 7 est une vue en perspective schémati que d'une station de soutirage à quatre embranche ments, et la fig. 8 -est un graphique montrant la répartition des temps de parcours du liquide entre trois stations différentes.
On voit à la fig. 1 un collecteur de distribution M provenant d'une source telle qu'un récipient de fusion ou de polymérisation d'un appareil de filage: Ce col lecteur consiste en une tuyauterie présentant trois réductions de diamètre successives correspondant à des stations de soutirage Tl, T2 et T3. Le collecteur est ainsi divisé en quatre sections. A chaque empla cement où se produit une réduction de diamètre du collecteur, une partie du flux s'écoulant dans ce der nier, constituée par la portion annulaire externe de l'écoulement, et représentant un débit égal au quart du débit total est soutirée et dirigée vers l'une de trois têtes de filage P1, P2, P3.
La partie centrale du flux de polymère continue dans la quatrième section du collecteur et aboutit directement à une station de soutirage P4. Les différents débits dirigés vers les têtes de filage, sont commandés par des pompes vo lumétriques entraînées simultanément. A chaque sta tion de soutirage le débit volumétrique u est le même et correspond au quart du volume total. Les lignes pointillées à l'intérieur du collecteur représentent les limites entre les portions du flux qui aboutissent aux différentes têtes de filage.
A la fig. 2, on voit trois embranchements B1, B2, B3, qui sont alimentés avec des débits égaux à partir du collecteur M. La station de soutirage T est une station simple à branches jumelles. L'embranchement B3 est de diamètre inférieur au collecteur M et son extrémité amont pénètre dans l'extrémité aval du collecteur. Le jeu annulaire ménagé entre les deux tuyauteries présente une largeur et une longueur qui sont des facteurs importants dans la détermination du débit de soutirage. Plus la longueur de la portion de tuyauterie B3 engagée à l'intérieur du collecteur M est grande, meilleure est la précision avec laquelle le débit de soutirage est obtenu.
Cependant, d'autre part, plus cette longueur est grande, plus la disper sion des temps de parcours des différents filets annu laires du liquide dans le jeu annulaire sera grande. On appelle dispersion des temps de parcours la marge qui existe entre la valeur minimum et la valeur maxi mum des temps de parcours des différents filets annu laires qui constituent la portion de l'écoulement dans laquelle on mesure le temps de parcours moyen. Dans le flux total, cette marge va du temps de parcours de la partie centrale se déplaçant à la vitesse maxi mum jusqu'à celui de la partie située à proximité de la paroi de là tuyauterie qui se déplace lentement.
Il est donc nécessaire de déterminer les dimensions selon un compromis donnant des résultats optima en tenant compte des conditions à remplir.
Les stations de soutirage des fig. 3 et 4 sont des stations à un seul embranchement. Selon la fig. 3, la division du flux s'effectue en amont de l'embran chement B de la même façon que dans la fig. 2, grâce à la pénétration de la tuyauterie aval à l'intérieur du collecteur M. Dans l'exécution de la fig. 4, en revan che, la division du flux s'effectue à l'aval de l'em branchement B, et la portion annulaire externe de l'écoulement dans le collecteur M subit un renver sement de direction avant de pénétrer dans l'em branchement latéral.
La division du flux à l'aval de l'embranchement présente certains avantages par le fait que le liquide ayant une vitesse faible et situé près des parois du collecteur M est ensuite dirigé vers le centre de l'embranchement B, ce qui diminue la dispersion des temps de parcours mesurés jusqu'à la sortie de l'embranchement, c'est-à-dire dans la tête de filage. D'autre part, la longueur de la dernière portion du collecteur qui est celle où la chute de pres sion est la plus grande est quelque peu diminuée, de sorte que la chute de pression totale peut être diminuée ou que l'on obtient un temps de parcours moyen inférieur pour la même chute de pression.
Les fig. 5 et 6 illustrent des formes d'exécution utilisant une chambre annulaire de calibrage au point de soutirage. L'exécution de la fig. 6 est un exemple de station de soutirage à plusieurs embranchements et la présence d'une chambre annulaire C de dimen sions assez grandes permet une disposition asymétri que des embranchements B1 et B2 si on le désire.
Dans la station de soutirage à quatre embran chements représentée à la fig. 7, les quatre tuyaute ries de soutirage B1, B2, B3, B4, sont de même diamètre, celui-ci étant égal au diamètre du collec teur M, de sorte qu'elles se touchent sur toute la circonférence du collecteur. Ce contact entre les tuyauteries est nécessaire pour obtenir un soutirage complet de la partie annulaire externe du liquide sous l'action de pompes de soutirage extrayant des débits égaux dans chaque embranchement.
Pour le fonctionnement de l'appareil représenté à la fig. 7, il n'est pas nécessaire que les sections des embranchements de tuyauterie soient égales à celles du collecteur ni qu'il n'y ait aucune diminution brus que de diamètre du collecteur à l'aval de la station de soutirage. Tout ce qui est nécessaire, c'est que la section des embranchements de tuyauterie soit suffi samment grande pour que celles-ci se recouvrent et que, par conséquent, la portion annulaire externe de l'écoulement liquide soit réellement entièrement ex traite dans les tuyauteries d'embranchement. La ré partition des débits partiels dans les différentes tuyau teries dépend des vitesses des pompes.
Il est égale ment important que la longueur du collecteur à l'aval de la station de soutirage soit déterminée de façon que son volume soit suffisant pour maintenir le rap port voulu entre les temps de parcours.
Le graphique de la fig. S illustre d'une façon très claire l'égalité des temps de parcours dans trois sta tions de soutirage distribuées sur un collecteur tel que celui décrit plus haut. Les trois courbes<I>b, c, d</I> sont comparées à celle a résultant d'une seule tuyau terie parcourue par un débit égal.
Les courbes<I>b, c, d,</I> correspondent chacune à un point d'une tuyauterie à trois prises de soutirage. La courbe b correspond au premier point de soutirage, la courbe c au second et la courbe d à l'extrémité aval de la tuyauterie. La courbe a correspond à l'extrémité aval d'une tuyauterie unique de même débit.
Les valeurs reportées en ordonnée donnent en % au temps T la quantité de liquide encore contenue dans le segment de tuyauterie compris entre l'origine de la tuyauterie et le joint correspondant à la courbe par rapport au volume de la portion de tuyauterie considérée.
Le dispositif utilisé pour déterminer les valeurs à reporter sur ce graphique comprenait trois stations de soutirage dont deux étaient alimentées par des sta tions successives à un embranchement et dont une était alimentée directement par le segment extrême du collecteur. Le dispositif était dimensionné de façon à donner des temps de parcours égaux pour les trois stations de soutirage lorsque les débits soutirés aux trois stations étaient égaux.
Le débit soutiré à chaque station était de 30 cm3/mn. Le volume occupé par chacun des trois écoulements partiels était de 237 cm3. Les dimensions des trois segments de collecteurs étaient respectivement les suivantes comp tées depuis l'entrée
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ler <SEP> Segment: <SEP> diamètre <SEP> 25,4 <SEP> mm
<tb> longueur <SEP> 753 <SEP> mm
<tb> 2e <SEP> segment: <SEP> diamètre <SEP> 17,5 <SEP> mm
<tb> longueur <SEP> 725 <SEP> mm
<tb> 3e <SEP> segment:
<SEP> diamètre <SEP> 12,7 <SEP> mm
<tb> longueur <SEP> 765 <SEP> mm Les stations de soutirage étaient équipées d'em branchements simples selon la fig. 3, la tuyauterie interne de diamètre inférieur s'étendant concentrique ment à la tuyauterie externe sur une longueur d'environ 50 mm.
Le graphique de la fig. 8 permet de calculer que la dispersion des temps de parcours à chaque station de soutirage est de l'ordre de 8 mn entre 100 % et 5 % du temps T,
alors que la dispersion des temps de parcours pour une tuyauterie simple (courbe a) ayant un volume interne de 240 cm3, est de 14 mn.
Il est par conséquent, clair, et cela résulte du graphique, qu'une proportion relativement importante du liquide présente un temps de parcours allongé, par exemple supérieur à 20 mn dans le dispositif à tuyauterie unique, alors que dans le dispositif à trois soutirages, la quantité correspondante est pratiquement négli geable.
Dans le cas où le liquide est un polymère fondu, par exemple un polyhexaméthylène adipamide, il peut être désirable d'homogénéiser le produit au point d'alimentation de la tuyauterie et au point d'alimen- tation des embranchements conduisant aux têtes de filage. Cette homogénéisation est désirable lorsqu'il se produit une dégradation non uniforme dans le réci pient de fusion ou dans le polymérisateur alimentant le collecteur.
Elle peut également être nécessaire dans les embranchements de façon à mélanger les couches laminaires s'écoulant dans chaque tuyauterie et à prévenir ainsi que les têtes de filage soient alimentées en polymère dégradé, ce qui entraîne l'extrusion de filaments irréguliers dans les différents trous de la filière. La station de soutirage décrite à la fig. 4 est destinée à éviter cet inconvénient.
Il peut être nécessaire, sur une machine à filer par fusion, de diviser le flux initial en deux parties égales conduites chacune dans un collecteur particu lier. Une simple jonction en T produira cette division en deux parties égales du flux initial.
Bien que la description ci-dessus parle d'un col lecteur de diamètre dégressif, qui convient générale ment puisque la plupart du temps on désire que les longueurs des segments de tuyauterie entre les stations de soutirage soient égales, cette disposition du col lecteur n'est pas absolument nécessaire. La seule condition essentielle est que le volume des différents segments entre les stations de soutirage soit déterminé de façon à donner des temps de parcours égaux ou des rapports déterminés entre les temps de parcours.
Ainsi, si les longueurs des différents segments peuvent être et sont inégales dans une mesure telle que l'on obtienne les volumes requis, il est possible de donner à la tuyauterie une section constante sur toute la longueur du collecteur.
Enfin, il est évident que les stations de soutirage peuvent également être équipées de moyens de sou tirage différents des pompes volumétriques décrites et que l'une des stations, par exemple la station finale peut être constituée par la source d'alimentation elle- même dans le cas où l'on désire une circulation du liquide visqueux en circuit fermé.