EP0104966A2 - Centrifugeuse à récupération d'énergie - Google Patents

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EP0104966A2
EP0104966A2 EP83401660A EP83401660A EP0104966A2 EP 0104966 A2 EP0104966 A2 EP 0104966A2 EP 83401660 A EP83401660 A EP 83401660A EP 83401660 A EP83401660 A EP 83401660A EP 0104966 A2 EP0104966 A2 EP 0104966A2
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EP
European Patent Office
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drum
centrifuge according
centrifuge
liquid
channel
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EP83401660A
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German (de)
English (en)
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EP0104966B1 (fr
EP0104966A3 (en
Inventor
Raymond Fernand Schlegel
René Pierre Bourassin
Michel André Lapautre
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Bertin Technologies SAS
Original Assignee
Bertin et Cie SA
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Publication date
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Publication of EP0104966A3 publication Critical patent/EP0104966A3/fr
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    • B04B2001/2083—Configuration of liquid outlets

Definitions

  • the invention relates to an energy recovery centrifuge, more particularly intended for the separation of immiscible liquids of different densities and in which solid particles are dispersed, the centrifuge comprising two rotary coaxial drums, a device for discharging solid materials. and an energy recovery device.
  • French patent 2,361,942 describes a centrifuge with coaxial drums and a horizontal axis used in the paper industry to separate solids from liquids.
  • the charged liquid arrives in the space separating two cylindrical-conical drums. rotating at high speed, a fixed differential speed being produced between the outer drum and the inner drum.
  • the inner drum is provided with a fin constituting an Archimedes screw which permanently removes the deposits of solid materials and evacuates them towards the conical end of the drums.
  • the liquid is discharged at the cylindrical end.
  • French Patent 2,326,981 proposes to equip a centrifuge bowl with vertical axis with a set of conical plates wedged on the central axis. The plates are separated from each other by a small space into which the charged liquid enters and where it separates from its solid particles. The liquid is evacuated towards the interior of the bowl while the particles collect in a biconical chamber, formed by the wall of the bowl, before being expelled radially outwards by operation of an evacuation device.
  • the industrial centrifuge with high flow rate and improved energy efficiency which is the subject of the invention, is particularly suitable for purifying a liquid including in suspension denser solid particles and / or in emulsion droplets of a less dense fluid. .
  • It comprises a rotor essentially constituted by a stack of centrifugation plates rotating at high speed between two coaxial cylindrical drums, means for continuously introducing and discharging the liquid, said liquid completely filling the internal space of the rotor, and means for selective extraction of separated impurities.
  • a first characteristic of the machine is that in the interval between the external cylindrical drum and the internal drum, driven in coaxial rotation independently and respectively provided with means for evacuating the separate phases, is placed the stacking of plates which rotates with the internal drum and which is supplied with liquid to be purified by an axial inlet and a centrifugal impeller.
  • Another characteristic of the invention is a device for recovering the energy of the liquid discharged
  • This device comprises at the outlet of the purified liquid a outlet wheel which comprises vanes integral with the internal drum and forming a centripetal turbine, this turbine being followed by tangential ejectors integral with the external drum and constituting a reaction turnstile, arranged so that the absolute speed of output of the purified liquid is substantially nothing.
  • the turbine and the turnstile restore most of the angular momentum communicated to the liquid in the form of engine torque, which makes it possible to reduce the compensation for friction loss compensation for the power required in continuous mode for the operation of the machine.
  • the centrifuge with horizontal axis shown in FIGS. 1 to 4, schematically comprises an interior drum A, an exterior drum B, a device for removing solid materials C and an energy recovery device D.
  • the liquid to be purified enters the upstream side by the connector 1, equipped with a rotating sealing assembly 2, and extended by a fixed inner sleeve 3, in the hollow shaft 6 whose opposite end is connected to the inner drum A.
  • the shaft 4 is supported by a double ball bearing 5 between the flanges which is provided with a pulley 6 keyed onto the shaft and driven by a belt (not shown).
  • the hollow shaft 4 is connected by a tight elastic coupling 7 to the tubular end 8 of the inner drum A o
  • the corresponding end 9 of the outer drum B is supported by an outer ball bearing 10 and has a pulley 11 which allows its drive at a speed different from that of the inner drum.
  • a sealed ball bearing 12 is disposed between the exterior and interior drums.
  • the other end of the outer drum B is supported by a ball bearing 13.
  • the corresponding end of the inner drum A is held by a sealed ball bearing 14 disposed between the drums.
  • the centrifugation bowl forming the largest part of the outer drum B, consists of a cylindrical hollow body extended on the upstream side by a cylindrical-conical flange secured to its end 9 supported by the bearing 10, and on the downstream side by a flared flange 15 carrying a circular flange 16.
  • On this flange is fixed a head 17 whose cylindrical end 18 is supported by the bearing 13.
  • the head 17 internally carries a movable conical bottom 19, which slides tightly on the one hand, on two stepped bearing surfaces 20, 21 provided in the part of the head adjacent to the flange 16 and on the other hand, in a tubular sleeve 22 added in the head 17 (see the enlarged view of FIG. 2).
  • the movable bottom 19 delimits on the one hand with the flared flange 15 a mud chamber 23 and on the other hand with the part of the inner head 17 within its internal reach 21, a pressure chamber 24 supplied via the channel 25 from a weir 26 which will be described later.
  • the flange 16 of the bowl, pressed against the periphery of the head 17, is not continuous but has bosses 27 regularly distributed around the flange, separated by passages 28 and crossed by bolts mounting 29.
  • the inner drum A is connected by its tubular end 8 to the end of the hollow shaft 4 by which the effluent or the mixture is introduced.
  • treat which reaches the annular space between the outer surface 30 of the inner drum A and the inner wall of the outer drum B by inclined channels 31 forming an input wheel.
  • the outer surface 30 carries longitudinal ribs 32 forming keys by which is rotated a stack of conical plates 33 (shown partially). These frustoconical plates are spaced from each other by stamped or attached radial spacers 33a, their spacing being a function of the size of the particles to be separated and the expected flow.
  • the small bases of the plates are directed downstream in the axial direction of circulation of the liquid to be treated.
  • the stacking of plates is maintained on the upstream side by a plate 34 and on the downstream side by a plate press- 35.
  • a scraper screw 36 At the periphery of the plates is fixed, by means of the plate 34, a scraper screw 36.
  • This screw is constituted for example by a rectangular profile wound in a helix on a cage 37 formed by the assembly of peripheral rings 37a and longitudinal bars 37b.
  • the outside diameter of the screw 36 is slightly smaller than the inside diameter of the bowl B so that it can scrape the solid particles accumulated on the wall and discharge them axially towards the mud chamber 23, the progression resulting from the difference in the speeds of rotation between the inner drum A and the outer drum B.
  • a radial centripetal impeller 38 which is in the form of a frustoconical envelope integral with the plate press 35 to the surface of which are fixed vanes 3 9 projecting into the space between the plate press 35 and the movable bottom 19 of the outer drum B.
  • the impeller 38 forms the first stage of the energy recovery device D, the second stage of which is constituted by. a series of ejectors 40 forming a tourniquet fixed on the cylindrical surface 41 of the exterior drum B extending its head 17.
  • the ejectors 40 formed of attached blocks 42 receive the purified fluid by radial channels 43 (FIG. 4) communicating with the inside the bowl, their ejection nozzles 44, the axis of which is directed substantially tangentially with respect to the cylindrical surface 41 of the head 17 of the external drum B.
  • the tangential jets coming from the ejectors 40 reach a ring of fixed vanes 45, disposed between two radial flanges 46 added in the cylindrical volute 47 for leaving the purified liquid. This volute is fixed to the bearing B of the centrifuge support.
  • the vanes 45 are advantageously adjustable in orientation to preserve the residual angular momentum and arranged in a spiral to facilitate the evacuation of fluid.
  • the central part of the internal drum A has an axial cylindrical cavity 48 placed in communication with the outside of the drum by orifices 49. These orifices allow the passage of the lightest fluid which flows along the external wall 30 and comes gather on the periphery of the cavity 48 which constitutes a reservoir from which an extraction tube 50 permanently scoops the fluid, held by centrifugation against the wall, to evacuate it towards the outside of the centrifuge.
  • the solids evacuation device is composed as previously described of the scraper screw 36 and of the hydraulic evacuation device C, a part of which is constituted by the movable base 19.
  • the overflow 26 is formed by a cylindrical ring 51 fixed on the head 17 and bearing in internal projection two rings 52, 53 axially spaced and of unequal heights, the ring 52 having an inner diameter smaller than that of the ring 53.
  • the ring 52 defines with the external face 54 of the head 17 a first channel 55 and with l ring 53 a second channel 56.
  • a water supply stock 57 passes through the central openings of the rings and opens into the first channel 55, the bottom of which communicates by a channel 58 with an annular chamber 59 situated at the periphery of the bottom mobile 19 between the stepped surfaces 20, 21 of the head 17 of the external drum B.
  • This chamber receives continuously by the fixed stock 57, the channel 55 and the channel 58 a flow of water greater than that flowing through the leakage 60.
  • the excess water overflows from the first channel by filling the second channel 56.
  • a radial channel pierced in the bottom of the chamber 56 communicates by intermediate of channel 25 with pressure chamber 24 del imitated by the movable bottom 19 and the internal face 61 of the head 17. Due to the rotation the centrifuged water exerts sufficient pressure against the movable bottom 19 to maintain its periphery in axial abutment on the radial bearing 62 of the flange 16 , position in which it closes the passages 28 communicating the mud chamber 23 with the outside.
  • the water supply is interrupted by the butt 57.
  • the leakage orifices 60 ensure the emptying of the water chamber 59 and orifices 63 judiciously placed allow the pressure chamber 24 to be emptied.
  • the bottom 19 closes when the weir 26 is again supplied.
  • the fluid to be treated enters continuously into the centrifuge which it completely fills, through the axial hollow shaft 8 in which it begins to acquire a relatively low speed of rotation.
  • a first speeding up is carried out during the passage of the fluid in the inclined channels 31 of the input wheel, connecting the hollow shaft to the annular space comprised between the drums in which the stacking of plates 33 rotates at high speed. , integral with the interior drum A.
  • the fluid to be purified then crosses the set of plates (arrows in strong line) where the centrifugal separation takes place and which constitutes a second stage of setting in speed: in known manner, the fluid to be purified is accelerated by viscosity in the spaces separating the plates 33 so that the solid particles are centrifuged against the wall of the external drum B, while the heaviest fluid thus purified (arrows in dashed lines) flows axially in the space located at the periphery of the stack of plates and is brought back towards the axis by crossing the centripetal impeller 38, which recovers part of its rotational energy.
  • the lightest fluid migrates (arrows in thin lines) towards the inner periphery of each plate and coalesces in the form of a film which flows towards the axis of the centrifuge. Arrived at the interior edge of the plate, the film is divided into large droplets which are very quickly captured on the surface 30 of the interior drum A and flow through the orifices 49 in the reservoir 48 where it is recovered by the tube of shell 50.
  • the heaviest fluid thus freed of solid particles and of the lighter fluid, reaches, after passing through the impeller 38, in the tubular end of the movable bottom 19 and in the radial channels 43, to the ejectors 42 attached to the head 17 of the drum B which ensure a very low absolute speed of exit of the fluid and thus recover its residual kinetic energy.
  • the fixed vanes 45 and the volute 47 exploit the balance of kinetic energy of the fluid to create the slight pressure necessary for its evacuation.
  • the speed of rotation of the assembly inner drum, plate holder and screw is 5000 rpm and that of the outer bowl of ⁇ 200 rpm compared to the outer drum.
  • the number of plates is 560 and the inter-plate space is around 0.5 mm.
  • the centrifuge has a length of 2.5 meters for a diameter of about 0.70 m.
  • the recovery yield is of the order of 95%. related to the kinetic power transmitted to the fluid.
  • the device for evacuating solid materials, with a movable bottom, described above can have drawbacks when used with mud chambers: of moderate volume. In fact, the opening times cannot be short enough, and a large quantity of liquid is evacuated with the solid materials at each opening, which causes an imbalance in the flow of the liquid phases.
  • Figure 6 shows a valve discharge device which can advantageously replace the movable bottom device. It also has the advantage of simpler and lower cost manufacturing.
  • Said evacuation device consists as previously described of the scraper screw 36 and the hydraulic evacuation device.
  • the mud chamber 23 is defined between the inner wall of the flared flange 15 and the conical fixed bottom 64 forming the inner wall of the head 17.
  • the flange 16 of the bowl pressed against the periphery of the head 17, carries evenly distributed all around the flange, radial orifices 65 which communicate by longitudinal passages 66 with radial grooves 67 formed in the face of the flange 16.
  • the longitudinal passages 66 receive sockets 68, one of the ends of which forms the seat of valves 69 provided in the periphery of the head 170
  • the channels 58 provided in the head 17, open out from a side in the channel 55, receiving water from the supply stock 57, and on the other in the valve chambers 70.
  • the movable parts of the valves 71 slide in with play / dea bores 72 drilled parallel to the axis at the periphery of the head. Sealed passages 73, mounted on the free openings of the bores, carry a thread 74 receiving screw stops 75. These stops make it possible to adjust the opening between the movable bodies of the valves and their seats.
  • the operating mode of the valve sludge evacuation device is as follows: the water arriving through the supply stock 57 pours into the channel 55 of the weir 26 and is sent under the action of centrifugal force, by the channel 58 in the valve chamber 70 o
  • the water exerts a pressure against the rear face of the movable body of the valve and keeps it against the seat 68 by closing the communication between the mud chamber 23 and the groove 67 leading to the outside.
  • Part of the water in the chamber 70 flows around the valve body 71 towards the outside as a result of the clearance provided between the bore and the mobile body.
  • the solids evacuation sections (5 to 10mm 2 ) are chosen according to the volume of the mud chamber and the flow speeds to obtain easily controllable opening times (10 to 30s) without risk of disturbing the flows. liquid.
  • scraper vanes 76 which sweep the chamber 23 are provided at the end of the scraper screw 36 and of the vanes 39 in order to avoid asymmetrical accumulations of solids during the emptying phases.

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Abstract

Centrifugeuse comportant deux tambours (1,2) d'axes horizontaux coaxiaux. Le tambour intérieur porte un jeu d'assiettes (33) et sur la périphérie une vis de raclage (36). Une chambre à boue (23) prévue à une extrémité du tambour extérieur (2) qui communique par des passages (28) obturables par un dispositif d'évacuation avec l'extérieur.
La centrifugeuse comporte un double dispositif de récupération de l'énergie comportant un rouet centripète (38) et une couronne (40) d'éjecteurs solidaires du tambour intérieur et un aubage (42) fixe en face des éjecteurs.
Les éjecteurs (42) sont dirigés de manière que la vitesse absolue du fluide en sortie de la centrifugeuse soit faible.
Le dispositif d'évacuation comporte un déversoir (26) alimenté en permanence pour maintenir par pression un fond mobile (19) en position d'obturation devant les passages (28).
Application à l'épuration d'effluents ou eaux résiduaires, notamment dans l'industrie pétrolière.

Description

  • L'invention concerne une centrifugeuse à récupération d'énergie, plus particulièrement destinée à la séparation de liquides non miscibles de densités différentes et dans lesquels sont dispersées des particules solides, la centrifugeuse comportant deux tambours coaxiaux rotatifs, un dispositif d'évacuation des matières solides et un dispositif de récupération de l'énergie.
  • Les centrifugeuses industrielles destinées à la séparation d'émulsions de liquides ou de suspensions de matières solides dans des liquides sont des machines destinées à traiter en continu des débits importants. Outre leur prix élevé, la consommation importante d'énergie nécessaire à leur fonctionnement a beaucoup gêné leur développement et leur utilisation a été limitée aux industries chimiques et pétrolières dans lesauel- les elles servent à la séparation de produits ayant une certaine valeur commerciale.
  • Lorsqu'il s'agit de produits de valeur négligeable tels que ceux contenus dans les effluents industriels, on se contente en général d'une séparation par décantation effectuée pendant des temps plus ou moins longs dans des cuves ou bassins. Les problèmes de pollution devenant de plus en plus aigus, la teneur en polluants des rejets, par exemple boues, emulsions ou suspensions d'huile ou de graisse, est progressivement abaissée et le respect de ces normes nécessitera l'utilisation de centrifugeuses à gros débit et dont les coûts de fonctionnement ne soient pas prohibitifs.
  • C'est ainsi que le brevet français 2.361.942 décrit une centrifugeuse à tambours coaxiaux et axe horizontal utilisée dans l'industrie du papier pour séparer les solides des liquides. Ee liquide chargé arrive dans l'espace séparant deux tambours cylindro-coniques. tournant à grande vitesse, une vitesse différentielle fixe étant réalisée entre le tambour extérieur et le tambour intérieur. Le tambour intérieur est muni d'une ailette constituant une vis d'Archimède qui enlève en permanence les dépôts de matières solides et les évacue vers l'extrémité conique des tambours. Le liquide est évacué à l'extrémité cylindrique.
  • La séparation n'est pas très poussée et les particules les plus fines restent en suspension.
  • Afin d'accroître l'efficacité d'une centrifugeuse, le brevet français 2.326.981 propose d'équiper un bol de centrifugation à axe vertical d'un jeu d'assiettes coniques calé sur l'axe central. Les assiettes sont séparées entre elles par un espace faible dans lequel le liquide chargé pénètre et où il se sépare de ses particules solides. Le liquide est évacué vers l'intérieur du bol tandis que les particules se rassemblent dans une chambre biconique, formée par la paroi du bol, avant d'être expulsées radialement vers l'extérieur par manoeuvre d'un dispositif d'évacuation.
  • La centrifugeuse industrielle à fort débit et rendement énergétique amélioré, qui fait l'objet de l'invention, est adaptée en particulier pour épurer un liquide incluant en suspension des particules solides plus denses et/ou en émulsion des gouttelettes d'un fluide moins dense.
  • Elle comprend un rotor essentiellement constitué par un empilage d'assiettes de centrifugation tournant à grande vitesse entre deux tambours cylindriques coaxiaux, des moyens pour introduire et évacuer le liquide en continu, ledit liquide remplissant totalement l'espace interne du rotor, et des moyens pour l'extraction sélective des impuretés séparées.
  • Une première caractéristique de la machine est que dans l'intervalle entre le tambour cylindrique extérieur et le tambour intérieur, entraînés en rotation coaxiale de façon indépendante et respectivement munis de moyens d'évacuation des phases séparées, est disposé l'empilage d'assiettes qui tourne avec le tambour intérieur et qui est alimenté en liquide à épurer par une admission axiale et un rouet centrifuge.
  • Une autre caractéristique de l'invention est un dispositif de récupération de l'énergie du liquide évacué,
  • Ce dispositif comporte à la sortie du liquide épuré un rouet de sortie qui comprend des aubes solidaires du tambour intérieur et formant une turbine centripète, cette turbine étant suivie d'éjecteurs tangentiels solidaires du tambour extérieur et constituant un tourniquet à réaction, agencé de manière que la vitesse absolue de sortie du liquide épuré soit sensiblement nulle.
  • De la sorte, la turbine et le tourniquet restituent sous forme de couple-moteur la majeure partie du moment cinétique communiqué au liquide, ce qui permet de réduire à la compensation des pertes de frottement, la puissance requise en régime continu pour le fonctionnement de la machine.
  • Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut être réalisée.
    • La figure 1 représente en coupe longitudinale une centrifugeuse selon l'invention.
    • La figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1.
    • La figure 3 est une vue partielle en coupe radiale selon III-III de la figure 2.
    • La figure 4 est une vue partielle en coupe radiale selon IV-IV de la figure 2.
    • La figure 5 est un schéma de la composition des vitesses du fluide sortant d'un éjecteur du dispositif de récupération de l'énergie.
    • La figure 6 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1 d'un autre exemple de réalisation.
  • La centrifugeuse à axe horizontal, montrée sur les figures 1 à 4, comprend schématiquement un tambour intérieur A, un tambour extérieur B, un dispositif d'évacuation des matières solides C et un dispositif de récupération d'énergie D.
  • Le liquide à épurer pénètre côté amont par le raccord 1, équipé d'un assemblage tournant d'étancheité 2, et prolongé par un manchon intérieur fixe 3, dans l'arbre creux 6 dont l'extrémité opposée se raccorde au tambour intérieur A.
  • L'arbre 4 est soutenu par un double palier à billes 5 entre les brides duquel est prévue une poulie 6 clavetée sur l'arbre et entraînée par une courroie (non représentée). L'arbre creux 4 est raccordé par un accouplement élastique étanche 7 à l'extrémité tubulaire 8 du tambour intérieur Ao L'extrémité correspondante 9 du tambour extérieur B est supportée par un palier à billes extérieur 10 et comporte une poulie 11 qui permet son entraînement à une vitesse différente de celle du tambour intérieur. Un roulement à billes étanche 12 est disposé entre les tambours extérieur et intérieur. L'autre extrémité du tambour extérieur B est supportée par un palier à billes 13. L'extrémité correspondante du tambour intérieur A est maintenue par un roulement à billes étanche 14 disposé entre les tambours.
  • Le bol de centrifugation, formant la plus grande part du tambour extérieur B, est constitué d'un corps creux cylindrique prolongé côté amont par un flasque cylindro- conique solidaire de son extrémité 9 supportée par le palier 10, et côté aval par une collerette évasée 15 portant une bride circulaire 16. Sur cette bride vient se fixer une tête 17 dont l'extrémité cylindrique 18 est supportée par le palier 13. La tcte 17 porte intérieurement un fond conique mobile 19, qui coulisse de manière étanche d'une part, sur deux portées étagées 20, 21 prévues dans la partie de la tête voisine de la bride 16 et d'autre part, dans une fourrure tubulaire 22 rapportée dans la tête 17 (voir la vue à plus grande échelle de la figure 2).
  • La fond mobile 19 délimite d'une part avec la collerette évasée 15 une chambre à boue 23 et d'autre part avec la partie de la tête 17 intérieure à sa portée interne 21, une chambre de pression 24 alimentée par l'intermédiaire du canal 25 à partir d'un déversoir 26 qui sera décrit ultérieurement.
  • Comme montré sur la figure 3, la bride 16 du bol, plaquée sur la périphérie de la tête 17, n'est pas continue mais présente des bossages 27 régulièrement répartis tout autour de la bride, séparés par des passages 28 et traversés par des boulons de fixation 29.
  • Lorsque le fond mobile 19 est dans la position représentée sur les figures 1 et 2 sa périphérie axialement plaquée contre une portée radiale interne de la bride 16 obture toute communication entre l'intérieur du bol et l'extérieur. Lorsque le fond 19 est déplacé vers la droite du dessin, sa périphérie découvre les passages 28, qui permettent par simple effet centrifuge la vidange de la chambre à boue 23.
  • Le tambour intérieur A est raccordé par son extrémité tubulaire 8 en bout de l'arbre creux 4 par lequel se fait l'introduction de l'effluent ou du mélange à traiter, qui parvient dans l'espace annulaire compris entre la surface extérieure 30 du tambour intérieur A et la paroi intérieure du tambour extérieur B par des canaux inclinés 31 formant rouet d'entrée. Comme représenté sur la figure 3, la surface extérieure 30 porte des nervures longitudinales 32 formant clavettes par lequelles est entraîné en rotation un empilage d'assiettes coniques 33 (représenté partiellement). Ces assiettes de forme tronconique sont espacées les unes des autres par des entretoises radiales embouties ou rapportées 33a, leur espacement étant fonction de la taille des particules à séparer et du débit prévu. Les petites bases des assiettes sont dirigées vers l'aval dans le sens axial de circulation du liquide à traiter. LI empilage d'assiettes est maintenu côté amont par une platine 34 et côté aval par un presse-assiettes- 35.
  • A la périphérie des assiettes est fixée,par l'intermédiaire de la platine 34, une vis de raclage 36. Cette vis est constituée par exemple par un profilé rectangulaire enroulé en hélice sur une cage 37 formée par l'assemblage d'anneaux périphériques 37a et de barrettes longitudinales 37b. Le diamètre extérieur de la vis 36 est légèrement inférieur au diamètre intérieur du bol B de manière qu'elle puisse racler les particules solides accumulées sur la paroi et les refouler axialement vers la chambre à boue 23, la progression résultant de la différence des vitesses de rotation entre le tambour intérieur A et le tambour extérieur B.
  • A l'extrémité aval du jeu d'assiettes 33 est prévu un rouet centripète radial 38 se présentant sous forme d'une enveloppe tronconique solidaire du presse-assiettes 35 à la surface de laquelle sont fixées des aubes 39 faisant saillie dans l'espace compris entre le presse-assiettes 35 et le fond mobile 19 du tambour extérieur B.
  • Le rouet 38 forme le premier étage du dispositif de récupération d'énergie D, dont le second étage est constitué par. une série d'éjecteurs 40 formant tourniquet fixés sur la surface cylindrique 41 du tambour.extérieur B prolongeant sa tête 17. Les éjecteurs 40 formés de blocs rapportés 42 reçoivent le fluide épuré par des canaux radiaux 43 (fig 4) faisant communiquer avec l'intérieur du bol leurs buses d'éjection 44, dont l'axe est dirigé sensiblement tangentiellement par rapport à la surface cylindrique 41 de la tête 17 du tambour extérieur B. Les jets tangentiels issus des éjecteurs 40 atteignent une couronne d'aubes fixes 45, disposée entre deux flasques radiaux 46 rapportés dans la volute cylindrique 47 de sortie du liquide épuré. Cette volute est fixée au palier B de support de la centrifugeuse. Les aubes 45 sont avantageusement réglables en orientation pour conserver le moment cinétique résiduel et disposées selon une spirale pour faciliter l'évacuation de fluide.
  • La récupération d'énergie cinétique s'explique comme suit :
    • L'alimentation de la centrifugeuse se faisant dans l'axe, la mise en rotation du liquide crée en tout point une surpression
      Figure imgb0001
      où p est la masse volumique du fluide, ω la vitesse angulaire de rotation et R le rayon de giration au point considéréo
  • La pression est convertie en vitesse dans la buse 44 d'un éjecteur selon l'équation
    Figure imgb0002
    où W est la vitesse relative du fluide par rapport à la buse. Si l'orientation et la section des buses sont convenablement choisies, la vitesse W ainsi créée est égale en module à la vitesse périphérique de rotation. La vitesse absolue du fluide Va par rapport à un référentiel extérieur à la machine, est la somme géométrique de a vitesse relative W et de la vitesse d'entraînement V =ωR au point considéré : Va = W+V. Donc si W et V sont colinéaires, de sens opposés et de même module, Va est nulle et l'énergie cinétique résiduelle est entièrement récupérée. Pour des raisons pratiques, l'angle de sortie de l'éjecteur est choisi de sorte que la vitesse absolue soit faible, mais non nulle , pour faciliter l'évacuation (figure 5).
  • la partie centrale du tambour intérieur A présente une cavité cylindrique axiale 48 mise en communication avec l'extérieur du tambour par des orifices 49. Ces orifices permettent le passage du fluide le plus léger qui s'écoule le long de la paroi 30 extérieure et vient se rassembler sur la périphérie de la cavité 48 qui constitue un réservoir d'où un tube d'extraction 50 écope en permanence le fluide, maintenu par centrifugation contre la paroi, pour l'évacuer vers l'extérieur de la centrifugeuse.
  • Le dispositif d'évacuation des matières solides se compose comme précédemment décrit de la vis de raclage 36 et du dispositif hydraulique d'évacuation C dont une partie est constituée par le fond mobile 19.
  • Le déversoir 26 est formé d'une bague cylindrique 51 fixée sur la tête 17 et portant en saillie intérieure deux anneaux 52, 53 axialement espacés et de hauteurs inégales, l'anneau 52 ayant un diamètre intérieur inférieur à celui de l'anneau 53. L'anneau 52 délimite avec la face externe 54 de la tête 17 une première rigole 55 et avec l'anneau 53 une deuxième rigole 56. Une crosse d'alimentation en eau 57 passe dans les ouvertures centrales des anneaux et débouche dans la première rigole 55, dont le fond communique par un canal 58 avec une chambre annulaire 59 située à la périphérie du fond mobile 19 entre les portées étagées 20, 21 de la tête 17 du tambour extérieur B. Cette chambre, munie d'un orifice de fuite calibré 60 débouchant dans un passage 28, reçoit en continu par la crosse fixe 57, la rigole 55 et le canal 58 un débit d'eau supérieur à celui s'écoulant par la.fuite 60. L'eau excédentaire déborde de la première rigole en remplissant la seconde rigole 56. Un canal radial percé dans le fond de la chambre 56 communique par l'intermédiaire du canal 25 avec la chambre de pression 24 délimitée par le fond mobile 19 et la face interne 61 de la tête 17. Du fait de la rotation l'eau centrifugée exerce une pression suffisante contre le fond mobile 19 pour maintenir sa périphérie en butée axiale sur la portée radiale 62 de la bride 16, position dans laquelle il obture les passages 28 faisant communiquer la chambre à boue 23 avec l'extérieur.
  • Lorsque l'on veut évacuer les boues accumulées dans la chambre à boue 23, on interrompt l'arrivée d'eau par la crosse 57. Les orifices de fuite 60 assurent la vidange de la chambre d'eau 59 et des orifices 63 judicieusement placés permettent la vidange de la chambre de pression 24. La pression interne au bol B agissant sur l'autre face du fond mobile 19, il se déplace vers la droite sur le dessin en découvrant les passages 28. Le fond 19 se referme lorsque le déversoir 26 est de nouveau alimenté.
  • Le fonctionnement de la centrifugeuse selon l'invention est ci-après décrit.
  • Le fluide à traiter entre en continu dans la centrifugeuse qu'il remplit totalement, par l'arbre creux axial 8 dans lequel il commence à acquérir une vitesse de rotation relativement faible. Une première mise en vitesse est effectuée lors du passage du fluide dans les canaux inclinés 31 du rouet d'entrée, reliant l'arbre creux à l'espace annulaire compris entre les tambours dans lequel tourne à grande vitesse l'empilage d'assiettes 33, solidaire du tambour intérieur A. Le fluide à épurer traverse ensuite le jeu d'assiettes (flèches en trait fort) où s'effectue la séparation centrifuge et qui constitue un deuxième étage de mise en vitesse : de manière connue, le fluide à épurer est accéléré par viscosité dans les espaces séparant les assiettes 33 de sorte que les particules solides sont centrifugées contre la paroi du tambour externe B, tandis que le fluide le plus lourd ainsi épuré, (flèches en trait interrompu) s'écoule axialement dans l'espace situé à la périphérie de l'empilement d'assiettes et est ramené vers l'axe en traversant le rouet centripète 38, qui récupère une partie de son énergie de rotation. Le fluide le plus léger, sous l'effet du champ centrifuge, migre (flèches en trait fin) vers la périphérie intérieure de chaque assiette et coalesce sous forme d'un film qui s'écoule vers l'axe de la centrifugeuse. Arrivé au bord intérieur de l'assiette, le film se divise en grosses gouttelettes qui sont captées très rapidement à la surface 30 du tambour intérieur A et s'écoulent par les orifices 49 dans le réservoir 48 où il est récupéré par le tube d'éoopage 50.
  • Le fluide le plus lourd, ainsi débarrassé des particules solides et du fluide plus léger, parvient, après passage dans le rouet 38, dans l'extrémité tubulaire du fond mobile 19 et dans les canaux radiaux 43, aux éjecteurs 42 rapportés sur la tête 17 du tambour B qui assurent une très faible vitesse absolue de sortie du fluide et récupèrent ainsi son énergie cinétique résiduelle.
  • Les aubages fixes 45 et la volute 47 exploitent le reliquat d'énergie cinétique du fluide pour créer la légère pression nécessaire à son évacuation.
  • Selon un exemple de réalisation une centrifugeuse, selon l'invention, destinée au traitement des eaux de production pétrolière et en particulier à la séparation de l'émulsion huile/eau et particules solides, présente les caractéristiques suivantes :
    • Le débit est de 100m3/h pour une concentration d'huile à l'entrée variant de 100 PPM à plus de 2000 PPM et en sortie inférieure ou égale à 20 PPM. Le pouvoir séparateur pour les gouttelettes en suspension d'un diamètre supérieur à 2 µm est total pour une différence de densité eau/huile de 0,15.
  • La vitesse de rotation de l'ensemble : tambour intérieur, porte-assiettes et vis est de 5000 t/mn et celle du bol extérieur de ± 200 t/mn par rapport au tambour extérieur.
  • Le nombre d'assiettes est de 560 et l'espace inter- assiettes de l'ordre de 0,5 mm.
  • La centrifugeuse a une longueur de 2,5 mètres pour un diamètre de l'ordre de 0,70m.
  • Le rendement de récupération est de l'ordre de 95% . rapporté à la puissance cinétique transmise au fluide.
  • Le dispositif d'évacuation des matières solides, à fond mobile, précédemment décrit peut présenter des inconvénients lorsqu'il est utilisé avec des chambres à boue: de volume modéré. En effet, les temps d'ouverture ne peuvent être suffisamment courts, et une grande quantité de liquide est évacué avec les matières solides à chaque ouverture, ce qui provoque un déséquilibre dans l'écoulement des phases liquides.
  • La figure 6 montre un dispositif d'évacuation à clapets qui peut remplacer avantageusement le dispositif à fond mobile. Il présente également l'avantage d'une fabrication plus simple et de moindre coût.
  • Les éléments du dispositif identiques à ceux du dispositif précédemment décrit portent les mêmes références,
  • Ledit dispositif d'évacuation se compose comme précédemment décrit de la vis de raclage 36 et du dispositif hydraulique d'évacuation. La chambre à boue 23 est définie entre la paroi intérieure de la collerette évasée 15 et le fond fixe conique 64 formant la paroi intérieure de la tête 17. La bride 16 du bol, plaquée sur la périphérie de la tête 17, porte régulièrement répartis tout autour de la bride, des orifices radiaux 65 qui communiquent par des passages longitudinaux 66 avec des rainures radiales 67 formées dans la face de la bride 16. Les passages longitudinaux 66 reçoivent des douilles 68 dont une des extrémités forme le siège de clapets 69 prévus dans la périphérie de la tête 170
  • Les canaux 58, prévus dans la tête 17, débouchent d'un côté dans la rigole 55, recevant de l'eau de la crosse d'alimentation 57, et de l'autre dans les chambres de clapet 70. Les parties mobiles des clapets 71 coulissent dans avec jeu/dea alésages 72 percés parallèlement à l'axe à la périphérie de la tête. Des passages étanches 73, montés sur les ouvertures libres des alésages, portent un filetage 74 recevant des butées à vis 75. Ces butées permettent de régler l'ouverture entre les corps mobiles des clapets et leurs sièges.
  • Le mode de fonctionnement du dispositif d'évacuation des boues à clapet est le suivant : l'eau arrivant par la crosse d'alimentation 57 se déverse dans la rigole 55 du déversoir 26 et est envoyée sous l'action de la force centrifuge, par le canal 58 dans la chambre de clapet 70o L'eau exerce une pression contre la face arrière du corps mobile du clapet et le maintient contre le siège 68 en fermant la communication entre la chambre à boue 23 et la rainure 67 débouchant à l'extérieur. Une partie de l'eau de la chambre 70 s'écoule autour du corps de clapet 71 vers l'extérieur par suite du jeu prévu entre alésage et corps mobile. Le surplus d'eau (par rapport à l'écoulement continu dû au jeu) arrivant dans la rigole 55 s'échappe par l'ouverture centrale de l'anneau 53 du déversoir 26.
  • Comme dans l'exemple précédent, lorsque l'on coupe l'alimentation en eau de la crosse 57, la pression exercée par les boues et le liquide contre le corps mobile du clapet n'est plus équilibrée par la pression dans la chambre de clapet 70 et il se produit une vidange qui est arrêtée par le rétablissement de-l'ali- mentatian en eau par la crosse 57.
  • L'explication ci-dessus a été donnée par rapport à un clapet. Les différents clapets répartis autour de la tête 17 fonctionnent simultanément de la même manièreo La fuite continue d'eau qui se produit par suite du jeu a pour but d'éviter le dépôt de solides qui pourrait provoquer le blocage du corps mobile dans son alésagee.
  • Les sections d'évacuation des solides (5 à 10mm2) sont choisies en fonction du volume de la chambre à boue et des vitesses d'écoulement pour obtenir des temps d'ouverture facilement contrôlables (10 à 30s) sans risque de perturber les écoulements de liquide.
  • La construction ci-dessus décrite est relativement plus simple que celle avec fond mobileo En effet le déversoir 26 ne comporte plus qu'une rigole 55, et n'est plus en communication avec la chambre 24. Les parties mobiles (clapets) sont protégées contre les accumulations de solides, par une circulation continue d'eauo'
  • Les boues s'accumulent dans la chambre 23 et lors de l'évacuation la compacité de la boue peut empêcher qu'une partie de cette boue située entre deux orifices ne soit convenablement chassée. Elles forment alors des petits monticules qui risquent de perturber l'équilibrage de la centrifuge. Pour éviter cet inconvénient on a prévu à l'extrémité de la vis racleuse 36 et des aubes 39 des palettes racleuses 76 qui balayent la chambre 23 afin d'éviter les accumulations dissymétriques de solides pendant les phases de vidange.

Claims (14)

10 Centrifugeuse industrielle à fort débit et rendement énergétique amélioré, pour l'épuration d'un liquide incluant en suspension des particules solides plus denses et/ou en émulsion des gouttelettes d'un fluide moins dense, du type comprenant un rotor essentiellement formé d'un empilage d'assiettes de centrifugation tournant à grande vitesse entre deux tambours cylindriques coaxiaux, des moyens pour l'introduction et l'évacuation du liquide en continu et des moyens pour l'extraction sélective des impuretés séparées, caractérisée en ce aue dans l'intervalle entre un tambour cylindrique extérieur (B) et un tambour intérieur (A), entraînés en rotation coaxiale de façon indépendante et respectivement munis de moyens d'évacuation des phases séparées, est disposé un empilage d'assiettes (33) tournant avec le tambour intérieur et alimenté en liquide à épurer à travers une admission axiale suivie d'un rouet centrifuge, et en ce que le liquide épuré sort dudit espace à travers un rouet de sortie constitué d'aubes (39) solidaires du tambour intérieur (A) et formant une turbine centripète, puis à travers des éjecteurs tangentiels (40) solidaires du tambour extérieur (B) et formant un tourniquet à réaction, agencé de manière que la vitesse absolue de sortie du liquide épuré soit sensiblement nulle, de sorte que ladite turbine et ledit tourniquet restituent sous forme de couple moteur la majeure partie du moment cinétique communiqué au liquide, et qu'en conséquence, la puissance motrice requise en régime continu est limitée à la compensation des pertes par frottement.
2. Centrifugeuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que les jets de liquide épuré issus des éjecteurs (40) frappent des aubages fixes (45) disposés et agissant pour faciliter son évacuation.
3. Centrifugeuse selon la revendication 2, caractérisée en ce que les aubages fixes (45) sont montés orientables et/ou disposés en spirale dans une volute (47) de révolution.
4. Centrifugeuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'extraction des particules solidescomprennent une vis de raclage (36) qui entoure l'empilage d'assiettes (3) solidaire du tambour intérieur (A) et refoule axialement les particules accumulées sur la paroi cylindrique du tambour extérieur (B) tournant à vitesse légèrement différente pour les amener dans une chambre périphérique (23) ménagée en bout dudit tambour extérieur.
5. Centrifugeuse selon la revendication 4, caractérisée en ce que la chambre périphérique (23) débouche à l'extérieur par des passages radiaux (28) normalement obturés par la périphérie d'un fond axialement mobile (19) agencé en bout du tambour extérieur (B).
6. Centrifugeuse selon la revendication 5, caractérisée en ce que le fond mobile (19) et le tambour extérieur (B) délimitent une chambre annulaire (59) débouchant à l'extérieur par un orifice calibré (60) de fuite et dans laquelle un débit supérieur d'eau ou autre liquide est introduit sous une pression suffisante pour maintenir ledit fond en position d'obturation.
7. Centrifugeuse selon la revendication 6, caractérisée en ce que la chambre annulaire (59) communique par un canal (58) avec le fond de rayon inférieur d'une rigole annulaire (55), agencée sur la paroi extérieure du tambour extérieur (B) et ouverte vers son axe, dans laquelle l'eau est déversée par une crosse fixe (57).
8. Centrifugeuse selon la revendication 7, caractérisée en ce que le fond mobile (19) et le tambour extérieur (B) délimitent une seconde chambre annulaire (24) intérieure à la première et débouchant à l'intérieur du tambour par des canaux (63) judicieusement disposés, dans laquelle est injectée sous pression par un canal (25) une fraction de l'eau ou autre liquide se déversant de la rigole (55) dans une rigole adjacente (56).
9. Centrifugeuse selon la revendication 4, caractérisée en ce que la chambre périphérique (23) débouche à l'extérieur par des passages normalement obturés par des dispositifs à clapet (66,69) agencé dans la périphérie en bout du tambour extérieur (B).
10.Centrifugeuse selon la revendication 9, caractérisée en ce que les dispositifs à clapet (69) communiquent par un canal (58) avec une rigole annulaire (55), agencée sur la paroi extérieure du tambour (B) et ouverte vers son axe,dans laquelle l'eau est déversée par une crosse fixe (57).
11. Centrifugeuse selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'entre uncorps mobile de clapet (71) et l'alésage (72), dans lequel il coulisse ,est prévu un jeu permettant une fuite continue d'eau provenant de la rigole annulaire (55).
12. C.entrifugeuse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'extraction de fluide moins dense comprennent des passages radiaux (49) traversant la paroi du tambour extérieur (A) et une crosse axiale fixe (50) écopant ledit fluide accumulé dans ledit tambour.
13. Centrifugeuse selon la revendication 4, caractérisée en ce que la vis de raclage (36) porte à son extrémité des palettes racleuses (76) qui balayent la chambre périphérique (23).
140 Centrifugeuse selon l'une quelconque des revendioa- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour l'épuration d'effluents ou eaux résiduaires, notamment dans l'industrie pétrolière.
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