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~ 3~3
L'invention concerne un procédé pour la separation
de particules dans un fluide; elle se rapporte également a
un dispositif perEectionné pour la séparation de telles par-
ticules, solides, liquides ou gazeuses.
L'invention est particulièrement, mais non limitati-
vement, adaptée a l'industrie papetiere, notamrnent a l'épuration
de suspensions particulaires, telles que par exemple les sus-
pensions fibreuses formees a partir de papiers de récuperation,
les pâtes à epurer, les effluents de machine a papier dont on
veut récupérer séparément les fibres et/ou les charges, les
eaux résiduaires, etc~.
Si, dans la suite de la description, l'invention sera
plus particulierement décrite dans son application à l'in-
dustrie papetiere, il est entendu que cet-te forme de mise en
oeuvre préferee est seulement donnee a titre illustratif. En
effet, l'invention peut trouver d'autres applications dans
les techniques de classement ou de fractionnement par centri-
fugation, dans la récupération de liquides non miscibles de
densité différente, a partir de mélanges etc.. De meme, si
le fluide est le plus généralement Iiquide, tel que notamrnent
de l'eau, il peut ~tre également gazeux.
Les suspensions particulaires traitées en papeterie
comprennent principalement, et dans des proportions relatives
tres variables, les élements suivants:
- un fluide vecteur tgénéralement aqueux),
- des fibres naturelles, artificielles ou synthéti-
ques, plus ou moins individualisées,
- des particules solides de dimensions et de densité
tres variables (charges minérales, impuretes diver-
ses: hot melt, plastiques, encres, adhésifs,
goudrons, particules métalliques, sables, etc..~ que
l'on désignera par le terme de " contaminants" ,
~5~
- egalement, des particules liquides ou gazeuses
(air)~
L'operation d'epuration des suspensions consiste à
separer desdites suspensions une ou plusieurs fractions de
particules indesirables, puis, notamment en papeterie, de
recueillir une suspension de fibres clé~arrassees des conta-
minants nuisibles a leur réutilisation future.
Parmi les techniques actuellement connues pour l'épu-
ration des suspensions, les plus utllisées reposent sur le
principe de la separation par différence de densités et/ou de
dimensions. Elles consistent notamment a introduire la
suspension a épurer dans une enceinte de révolution o~ elle
est animëe d'un mouvement tourbillonnaire dit " vortex" ,
ayant pour effet de soumettre les particules de cette suspension
a l'action simultanée de deux forces:
- l'une, de sens centrifuge, qui est due a l'action
de l'accélération centrifuge sur la masse de chaque
particule et qui tend a l'entrainer vers la péri-
phérie de l'appareil;
- l'autre, de sens centripete, qui est due à l'action
du gradient radial de pression sur le volume de
la particule et qui tend à l'entralner vers le
centre du vortex.
Si la densité de la particule est égale à celle du
fluide vecteur, ces deux forces s'équilibrent et il n'y a pas
de mouvement radial moyen de la particule par rapport au fluideO
Il en résulte que si la particule en suspension est
plus légere que le fluide vecteur, l'effet du gradient radial
de pression est supérieur a celui de la force centrifuge et
ainsi, la particule légere se dirige vers l'axe longitudinal
du vortex. En revanche, si la particule est plus dense que
le fluide vecteur, l'effet du gradient radial est inférieur
'-' JL~S3~
a celui de la force centrifuge et la particule dense vient
alors se placer sur la périphérie du vortex.
Pour la commodité de l.a description~ on designera
dans ce qui suit, par " particules legères" ou " composants
legers" , les particules dont la densite est inferieure à
celle du fluide vec-teur et par " particules lourdes" ou
" composants lourds" , ceux dont la densite est superieure à
celle du fluide vecteur.
On a ainsi proposé des appareils denommés " hydrocy-
clones" ou " centricleaners" , qui sont constitués par une
enceinte conique fixe. Dans ces appareils, on introduit
tangentiellement la suspension a épurer en tête de l'enceinte
conique et on retire les particules les plus lourdes a l'ex-
trémite opposee, la suspension ainsi epuree etant alors
recueillie en tête de l'enceinte au voisinage de l'axe lon-
gitudinal.
Ce dispositif se montre genéralement efficace pour
la séparation des particules lourdes (sable, particules métal-
liques, etc.), mais donne de mauvais résultats en ce qui concerne
la séparation des particules lé~res, en particulier celles
dont la densite est voisine de celle du fluide vecteur.
En efEet, dans les épurateurs t~pe hydrocyclones à
paroi fixe, on ne peut agir que sur la vitesse tangentielle
d'entrée de la suspension. Pour assurer l'élimination des
particules lourdes en périphérie, cette vitesse doit atre
: maintenue à une valeur assez élevee, ce qui entraîne une
rapidite de passage dans la zone centrale de l'appareil, et
ne permet donc pas de dissocier suffisamment les particules
légeres, que l'on retrouve en quasi totalite dans la suspension
" epurée" .
De plus, les vitesses élevees entretiennent dans la
suspension un niveau de turbulence très élevé qui contrarie
~53~9
l'effet de séparation entre les différentes particules.
Pour favoriser, dans ce type d'appareil l'elimination
des particules legeres r on a alors propose de disposer au ~,
centre du vortex un tube plongeant de faible diamètre pour
y prelever les contaminants de faible densite. La proportion
de contaminan~s leyers ainsi. separes reste malgre tout très
faible, du fait de l'exiguite de cette zone centrale du vortex.
Dans les cas où il s'agissait principalement de r
debarrasser les suspensions à épurer des contaminants légers, ',
10on a aussi proposé d'utiliser des enceintes à paroi egalement
fixe, mais de forme cylindrique, dans lesquelles la suspension
entre et sort tangentiellement, lesdits contaminants etant
alors extraits axialement, et dans lesquelles on fait circuler
la suspension a vitesse beaucoup plus lentet Dans ce type
d'appareil, on a alors un faibIe gradient radial de pression
qui ne permet d'éliminer que les particules les plus legexes.
Dans les brevets ~rançais publies sous les
n~ 2 091 170 et 2 293 983, on a decrit un dispositif d'epuration
dans lequel on a cherche à disposer d'une force motrice impor~
20tante, sans toutefois être gêne par les phenomènes de tux-
bulence. Ce dispositif, qui vise à rapprocher le plus possible
des conditions du vortex force theorique, comporte deux parois
cylindriques concentriques tournant de manière synchronisée, la
suspension etant alors introduite et s'ecoulant dans l'enceinte
annulaire ainsi formee, de mani~re à ce que sa rotation soit
totalement solidaixe de celle des parois. Toutefois, l'ef-
ficacite de ce dispositif se trouve limitee par l'effet de
concentration des suspensions à epurer du à l'absence totale
d'agitation qui favorise un colmatage rapide de l'appareil.
30De plus, dans le cas o~ l'on doit traiter des suspensions fi-
breuses, l'efficacité de ce dispositif se trouve encore entravée
par la morphologie des constituants fibreux de la suspension
i
-4- L~
~ * publies les 14.1.1972 et 9.12.1974, respectivement
~1S3~ 3
qui, en llabsence cle toute agl-tatiorl, tendent à se structurer
très rapidement en un rëseau coherent qui " piège" les con-
-taminants et leur in-terdit tout deplacement au sein du fluide~
Dans le brevet americain 1,712,184, on a decrit un syst~me
à vortex force à paroi divergente tournante, dans lequel
toutefois, la suspension amenee par le bas, est aspiree par
la depression creee par la rotation de la paroi. Ainsi, du
fait de la divergence de la paroi, la vitesse de la suspension
est toujours inferieure à celle de la paroi. Cela limite
considerablement l'efficacité de la separation et ne permet
pas de regler le temps de sejour independamment de la vitesse.
En pratique, ce dispositif manque de versatilité, dans la
mesure o~ il ne permet pas d'agir sur la vitesse de rotation.
Dans le brevet australien 465,775, on a décrit un
hydrocyclone classique dont la paroi est mise en rotation afin
de superposer un vortex forcé au vortex libre cree dans
l'hydrocyclone~ La suspension est introduite ici tangentiel- @
lement avec un excès de vitesse angulaire par rapport à celle
de la paroi. Ici, toutefois, les particules lourdes sont $
recueillies sensiblement dans l'axe longitudinal de l'hydro- i
cyclone et les particules légeres également dans le meme axe.
Cela se traduit par la perte de l'énergie cinetique de rotation
de la suspensi~n, car la plus grande partie de la suspension
à recuperer etant captee axialement, toute l'energie cinetique
du fluide est dissipee dans le vortex. De plus, le dispositif
tournant de sortie agissant comme une pompe, son fonctionnement
entraine une importante consommation d'énergie supplementaire.
Par ailleurs, la version décrite ne permet pas d'amenager au
centre du vortex une importante zone de centrifugation des
particules, puisque toute la suspension epuree est recueillie
pres de l'axe longitudinal.
Dans l'hypothèse prevue, mais toutefois non décrite,
* publies les 7.5~1929 et 21.6.1973, respectivement
~5~
où la paroi ser~it cylindrique et l~on plus conique, les com-
posants lourds scraient recueil3is en peripherie, l'essentiel
de la suspension etant alors recupere au cen-tre.
Cela se traduit par les memes inconvenients que la
version decrite ci-dessus, c'est-~dire l'impossibilité de
récuperer l'energie cinétique de ro-tation et de bénéficier
des effets favorables pour l'elimination des composants legers
d'une importante 70ne de centrifugation dans la partie cen-
trale du vortex.
L'invention pallie les inconvenients de ces differents
types d'epurateurs connus. Elle concerne un procéde et un
disp~s'tif pour l'epuration des suspensions particulaires
bases sur l'effet de vortex libre en paroi tournante, mais
dans lequel on entretient un etat d'agitation minimum dans la
totalite de la ~one périphérique du vortex, ce qui permet de
séparer efficacement et d'extraire en continu différentes frac~
tions de la suspension traitee. En particulier dans le domaine
de la papeterie, ce type d'appareil permet d'obtenir des sus-
pensions fibreuses pratiquement debarrassees de contaminants.
Ce procede pour la separation de particules dans
un fluide, dans lequel de manière connue:
- on amene la suspension a traiter dans une enceinte
de revolution tournant autour de son axe longitudinal de
manière a former un vortex libre ~ l'interieur de ladite en-
ceinte,
- on introduit ladite suspension à l'interieur de la-
dite enceinte de revolution suivant une direction legerement
oblique par rapport à l'axe longitudinal de l'enceinte~ de
maniere à conferer a la suspension une vitesse angulaire initiale
superieure a la vitesse angulaire de l'enceinte,
- et on recueille separement les differents composants
de la suspension,
~3~8
se caracterise en ce que:
- on règle l'écoulement de la suspension dans l'en-
ceinte de manière à maintenir un leger excès de la vitesse
angulaire de la suspension à l'interieur de l'enceinte par
rapport a la vitesse angulaire de la paroi de l'enceinte,
- en ce que l'on recueille la plus grande partie du
débit de la suspension traitée dans une zone périphérique du
vortex,
- et en ce que l'on recueille simultanément, et si
necessaire en continu:
. les composants lourds en peripherie de l'enceinte,
. les composants legers au voisinage de l'axe lon-
gitudinal de l'enceinte, c'est-à-dire dans l'axe
du vortex,
. et la fraction intermédiaire dans au moins une
zone intermediaire distincte.
Ainsi, la plus grande partie du débit de la sus-
pension étant recueillie dan~ une zone périphérique, à la sortie
du vortex, on peut récupérer à cet endroit la plus grande
partie de l'énergie communiquée à la suspension a l'entrée.
Par ailleurs, la soxtie des composants légers dans l'axe du
vortex permet de disposer d'une importante zone centrale de
centrifugation~ La réalisation selon brevet australien 465,775,
ne permet pas une telle disposition.
A~in de conserver le degre d'agitation minimum neces-
saire pour individualiser le mouvement des composants, il est
indispensable que le vortex libre a paroi tournante soit formé
pour partie préponderante de plusieurs couches concentriques
de conicite convergente, dont les vitesses angulaires croissent
lorsque l'on se rapproche de l'axe longitudinal dudit vortex,
afin de maintenir un certain cisaillement des couches. Cette
conicite peut être obtenue:
1~3~
- soit par la conicite elle-meme de la paroi de
l'enceinte rotative,
- soit même indépendamment de la geométrie de cette
paroi (par exemple encein~e cylindrique),
- soit enfin, en jouant sur les vitesses d'entrée
et les débi-ts de sortie de la suspension dans
l'enceinte; ainsi, les vitesses d'entrée permettent
de régler, pour chaque couche correspondante, la
vitesse angulaire de la suspension et~ en particulier,
l'excès de cette vitesse par rapport à la paroi,
alors que les débits de sortie permettent de regler
la convergence de l'écoulement par rapport a l'axe
longitudinal, et donc la conicité dudit écoulement.
En pratique, la valeur de l'angle oblique d'intro-
duction de la suspension dans l'enceinte est ~ixée par le
r~pport des modules de la vitesse axiale, fonctlon du débit
~; et de la vitesse par rapport à la paroi, déterminée en fonction
du degre d'agitation désire.
Par ailleurs, la " vitesse radiale de migration des
particules" par rapport au fluide est essentiellement fonctlon
de la forme, des dimensions, de la densite desdites particules,
et des caracteristiques de l'ecoulement lui-même. Cette vitesse
est d'autant plus ~aible que la difference de densite entre la
particule et le ~luide vecteur est plus ~aible, que les
dimensions des particules sont plus faibles et que leur ~orme
est plus defavorable à leur migration.
Dans une forme perfectionnee/ on introduit également
le long des parois de l'enceinte un ~luide auxiliaire, ce qui~
permet de diluer la suspension dans cette ~one et d'y augmenter
la mobilité des particules.
La presence de cette couronne de fluide auxiliaire
réduit la distance que doivent parcourir les particules
38~
légeres de la suspension en~rant dans l'appareil pour atteindre
leur zone d'élimination si~uée vers l'axe du vortex.
La présence de cette couronne de fluide permet enfin
de " laver" la suspension de ses composants les plus fins
dontla vitesse de migration est très faible et qui ne sont
pas entrainés par les composants les plus lourds de la sus-
pension au cours de la traversée de la couronne d'eau par ces
derniers.
On aura également, dans la pratique t intérêt à mettre
à profit le mouvement de retour axial qui se produit naturel-
lement au coeur des vortex libres en favorisant ce mouvement
par l'utilisation d'une sortie axiale. L'effet de centrifugation
est ainsi très amplifié dans la zone du vortex la plus proche
de l'axe.
Il est ainsi possible d'extraire à la base du vortex,
et no-tamment avec de faibles débits, la quasi-totalité de
la fraction légere de la suspension et exempte de composants
lourds. Si la suspension contient des particules gazeuses,
celles-ci se rassemblent dans la zone axiale où elles forment
~o un noyau gazeux.
Un dispositif approprié pour la mise en oeuvre de
ce procéde pour la separation de particules dans un fluide,
dans lequel la suspension a epurer est amenee dans une enceinte
de revolution tournante, du type comportant:
- des moyens pour entrainer ladite enceinte en
rotation autour de son axe longitudinal,
- des moyens fixes d'amenee de la suspension à epu-
rer disposes selon l'axe longitudinal de ladite enceinte de
révolution, prolonges par des moyens mobiles de deviation du
courant de suspension vers la périphérie de l'enceinte,
- des moyens fixes de sortie de la suspension epuree
et des differentes fractions separees, disposes selon l'axe
398~
lonyitudinal de ladite enceinte, précedes par des moyens
mobiles de déviation, se caracte.rise:
- en ce que les moyens mobiles de deviation précédant
les moyens fixes de sortie captent la plus grande partie du
debit de la suspension au niveau de la përipherie de l'enceinte,
puis la devient vers l'axe longitudinal de rotation, de maniere
a recuperer la majeure partie de l'energie cinetique de rota-
tion du fluide,
- en ce que les moyens principaux de sortie sont
situes a l'extremi-te opposee de celle de l'enceinte comportant.
les moyens d'amenee et sont disposes à la periphérie de
cette enceinte, de maniere à disposer d'une importante ~one
centrale de centrifugation,
- et en ce quele moyen de sortie des composants les
plus légers est disposé sur l'axe longitudinal de rotation
du meme côté que lesmoyens d1amenee, afin d'augmenter l'effet
de centrifu~ation de ladite zone centrale.
Avantageusement, ce dispositif comprend en outre les
dispositions suivantes:
- les moyens de sortie de la fraction la plus lourde
de la suspension sont situes en peripherie de l'enceinte et
les moyens de sortie de la fraction intermediaire de la sus-
pension sont situes concentriquement les uns aux autres, mais
plus au centre que lesdits moyens de sortie de la fraction .
lourde;
- un moyen de sortie additionnel de la fraction lé-
gère est dispose sur l'axe longitudinal de rotation du même
côté que les autres moyens principaux de sortie;
- les moyens d'amenée comportent en plus du conduit
d'amenee proprement dit de la suspension, un conduit concen~
trique plus exterieur, c'est-à-dire vers la peripherie de
l'enceinte, destine a amener un fluide auxiliaire à la peri-
--10--
. ~53~9
pherie interne de llenceinte;
- des moyens supplémen-taires d'amenée de ~luide
auxiliaire, soit continûment le long de la paroi interne de
l'enceinte, soit en discontinu en différents points de ladite
paroi;
- l'un au moins des moyens mobiles de déviation
d'amenée et de sortie de la suspension comporte des moyens pour
modul.er la vitesse de rotation de la suspension par rapport
a la vitesse de l'enceinte de révolution, par exemple des
canaux inclinés par rapport à l'axe longitudinal de l'enceinte,
ce qui ~avorise et accentue le mouvemen-t tourbillonnaire de
la suspension;
- les moyens de sortie les plus proches de l'axe
sont reliés à une source de vide, afin d'augmenter le débit
de sor-tie des composants légers et de favoriser la centrifuga-
tion des composants lourds dans la zone centrale du vortex,
sans qu'il soit nécessaire d'augmenter le niveau general des
pressions;
- l'un des moyens mobiles de sortie est associe a
une pompe d'alimentation du circuit aval ou de recyclage;
la paroi de l'enceinte de revolution presente des
orifices de sortie destines a extraire les particules les
plus denses;
- l'enceinte a une forme generale convergente a
partir des moyens d'amenee de la suspension, cette partie
convergente pouvant meMé être associee a une courte portion
divergente pour favoriser l'elimination des composants lourds
et eviter le colmatage~
En bref, schematiquement, l'ensemble situe du côte
des moyens d'amenee agit comme une pompe, alors que les moyens
situes a l'oppose agissent comme une turbine.
Il est entendu que les moyens mobiles de sortie
11-
~53c~
du fluide peuvent être prolonges au niveau des paliers par
des moyens, telle une pompe, solidaires desdits moyens mobiles,
dans le but notamment d'alimenter le circuit aval.
La maniere dont l'invention peut etre realisee et
les avantages qui en dëcoulent ressortiront mieux des exemples
de realisation qui suivent donnes a titre indica-tif, mais
non limitatif, à l'appui des figures annexees.
La figure 1 represente une vue schematique generale
en coupe longitudinale d'un epura-teur conforme a ]'invention
avec schema du mouvement du fluide.
La figure 2 montre schematiquement le parcours du
fluide vecteur dans une enceinte rotative cylindrique.
La figure 3 illustre une variante du dispositif
de la figure 2 avec injection de fluide auxiliaire.
La figure 4 représente une autre variante des dispo-
sitifs selon les figures 2 et/ou 3, plus particulièrement adaptée
au fractionnement de la suspension sortante.
La Eigure 5 represente une variante des dispositifs
selon les figures 2, 3 et/ou 4, plus particulièrement adaptee
à la separation des particules lourdes.
La figure 6 montre une autre forme de réalisation avec
sections cylindriques à diamètre croissant et injection de
fluide auxilialre en plusieurs points de la paroi.
La figure 7 represente la partie tournante d'un ap-
pareil experimental pour la mise en oeuvre de l'invention.
Les figures 8 et 9 representent deux dispositifs per
fectionnes pour l'épuration de grandes quantités de suspension.
En se referant à la figure 1, l'epurateur se compose:
- d'une enceinte creuse 1, ici tres legerement
conique, en materiau approprie tacier inox, plastique), entrainée
en rotation autour de son axe longitudinal 2, grâce a un moteur
3 qui entraine une courroie 4 en prise sur une gorge 5 prevue
-12-
~3~.?~
à cet effet sur la peripherie exteri.eure de l'enceinte de
révolution l;
- de paliers 6 et 7, associes à des joints d'étan-
chcitc classiqucs non rcp~sentes~ permettallt à l'cnccinte 1
de tourner su~ son axe 2;
- d~lnc tu~ulure 8 formant moyen fixc d'amence dc
la suspension à epurer et debouchant par l'intermediaire d'un
raccord tournant en tete de l'encelnte 1 dans un conduit
d'amenee 10 formant moyen mobile de deviation;
- d'une tubulure 9 formant moyen ~ixe d'amenee de
~1uide auxiliaire, debouchant, par l'intermediaire d'un
raccord tournant, egalement en tête de l'enceinte 1 dans un
conduit 11 concentrique, mais plus exterieur par rapport a 10,
formant aussi moyen mobile de deviation;
en face des moyens d'amenee (8, 9, 10, ].1), des
moyens de sortie formes egalement par deux conduits fixes 14
et 15 formant moyens fixes de sortie, relies grace ~ des rac-
cordements etanches, respectivement au conduit 12 le plus pres
de la peripherie de sortie des particules les pl.us lourdes et
au conduit concentrique 13 de sortie de la fraction inter-
mediaire; ces conduits 12 et 13 forment moyens mobiles de
deviation et sont disposes de maniere a recuperer ou a capter
la plus grande partie du débit de la suspension en peripherie
de l'enceinte 1, puis a la devier vers l'axe de rotation 2 de
maniere a recupërer la majeure partie de l'energie cinétique
de rotation du fluide;
d'un conduit de sortie 16 place en tete et dans
l'axe longitudinal 2 de l'enceinte de revolution 1, donc a la
base du vortex forme, et destine a recuperer l'essentiel des
composants les plus le~ers, afin d'au~menter l'effet de cen-
trifu~ation de la zone centrale;
eventuellement, d'un second conduit de sortie 17
~153~ 3
",
place sur l'axe lollgitudinal et sur l'extremite opposee
celle comportant le conduit 1~, destine a entraîner le
reste des particules le~ères, ainsi que des particules tres
fines.
Si le plus généralement, l'axe de rotation 2 est
horizontal, il peut être également vertical. De même, les
paliers 6 et 7 peuvent être positionnés ailleurs, par exemple,
sur l'enceinte elle-même, ou même remplacés par des moyens
equivalents, tels que des bandes de roulement eventuellement
montees sur pneumatiques.
Le fait d'entralner en rotation l'enceinte 1 autour
de son axe 2 permet de regler independamment la force motrice
du processus de séparation (liee a la vitesse absolue de rotation
de la suspension), indépendamment de l'intensite de l'agitation
de la suspension (li.ée à sa vitesse rela-tive par rapport à la
paroi qui est maintenue a un niveau minimum), ce qul permet
dladapter les conditionsde marche de l'appareil au débit a
traiter, sans nuire à llefficacité.
Les conduits concentriques mobiles d'amenee 10 et 11
devient le courant de suspension entrant de l'axe 2 vers la
periphérie et comportent une pluralité de canaux inclinés par
rapport à l'axe, de manière à favoriser la mise en mouvement
tourbillonnaire de la suspension entrante et du fluide auxiliaire
et à permettre d'en régler la vitesse angulaire à l'aide des
seules variations du débit d'entrée respectivement de la sus-
pensivn et du fluide auxiliaire.
Les conduits mobiles de sortie 12 et 13 sont consti-
tués de facon analogue aux conduits 10 e~ll, mais ramènent
la suspension sortante de la péripherie vers l'axe 2. Cette
symetrie de structure entre la section d'entree et la section
de sortie ~avorise la recuperation a la sortie de l'enceinte
rotative de la plus grande partie de l'energie cinétique de
-14-
~3~3~
rotation ~ournie au fluide dans la section d'entrée.
A titre d'exemple, illustran-t le fonctionnement du
dispositif selon l'invention, on va décrire le parcours des
particules, ou des composan-ts a épurer, au sein de différents
appareils conformes à l'invention e~, sauf indication con-
-traire, dans le cas de l1epuration d'une pâte à papier.
EXA~PLE l (voir figure 2)
Dans cet exemple, l'enceinte de revolution l est
cylindrique.
Ici, la suspension papetière a épurer contenant en
mélange des fibres et des contaminants légers est introduite
à l'intérieur de l'appareil, par l'intermédiaire du conduit
lO, dans la zone périphérique du vortex.
En s'écoulant dans des canaux inclinés, non repré-
sentés, ménagés à l'intérieur du conduit d'amenée lO, la
suspension est entrainée dans un mouvement tourbill~nnaire
de rotation dont on a fixé la vitesse angulaire à une valeur
supérieure à la vitesse angulaire de la paroi par inclinaison
desdits canaux par rapport à l'axe de rotation 2.
Les conditions d'écoulement de la suspension sont
alors du type " vortex libre" , telles qu'elles sont utilisées
dans les appareils cyclones; toutefois, le maintien d'un degré
d'agitation minimum en périphérie sur toute la longueur du
vortex permet de réduire les frottements au niveau strictement
nécessaire à la libre mobilité des particules dans la sus-
pension.
Dans ces conditions, l'action des forces centrifuge
et centripete peut s'exercer sans perturbation dans la totalité
du vortex, donc avec le maximum d'ef~icacité. Ainsi, la
plus grande partie des particules plus légeres que le ~luide
sont entrainées rapidement vers la zone axiale 20, où elles
se concentrent progressivement en remontant lentement vers la
~ ~s~t~8~
section d'entree 21. La elles sont extrai-tes (exemptes de
Eibres) par le conduit de sortle 16~
Lors de la rotation de l'encein-te 1 chargee de sus-
pension, les p~rticules gazeuses de cette suspension se ras-
semblent dans ].a ~one axiale du vortex o~ elles formen-t un
noyau gazeux 20, géneralement en de~ressioll. Dans les yros
appareils, on a interet à avoir un noyau gazeux central 20
assez important, afin de diminuer le niveau general des pres-
sions dans l'appareil.
Les particules plus iourdes que le fluide (fibres)
sont entrainees vers la périphérie~ d'autant plus efficacement
. que leur cheminement n'est pas entrave par des turbulences
trop improtantes.
Un tel appareil simple a paroi cylindrique ou legere-
ment convergente est parti.culierement adapte a 1 ~ extraction
des composan~s legers des suspensions fibreuses r telles que les
pâtes à papier.
EXEJMPLE 2 (voir figure 3)
Dans une variante de realisation, on peut accentuer
cette dissociation du reseau fibreux en diluant la suspension
à epurer au contact de la paroi au moyen d'un fluide auxiliaire
introduit par le conduit d'amenee exterieur 11 avec un debit
reglable à volonte.
: EXEMPLE 3 (voir figure 4)
.
Icir 1~ extremite de sortie de l'enceinte de revolution
comporte trois conduits concentriques 12 r 13 et 17.
On introduit en 10 une suspension fibreuse contenant
des composants legers et en 11 le fluide auxiliaire (eau).
On extrait en 16 les composants legers. On recueille
en 12 une fraction de la suspension epuree enrichie en fibres
longues, en 17 des " fines" (fragments de fibres et de parti-
cules de petites dimensions) et en 13 la fraction intermediaire.
-16-
Ce mode de réalisation est particulierement adapté
au ~ractionnement des suspensions fibreuses papetieres.
EXEMPLE ~ (voir figure 5~
Dans une variante partlculierement intéressante de
l'lnvention, on peut realiser l'epuratlon en continu d'une
suspension fibreuse papetière contenan-t a la fois des com~
posants legers et des composants lourds en dotant l'appareil
d'orifices menages dans la paroi de l'enceinte 1, connectes
a des conduits tangentiels 18 diriges ~ar exemple vers l'e~-
terieur afin dleviter leur colma-tage. Par ces conduits 18,
on extrait les particules les plus lourdes, qui se sont con-
centrees près de la paroi.
Avantageusement, on dispose, en amont de ces orifices,
des moyens 19 d'introduction d'un fluide auxiliaire destine
à effectuer un lavage des contaminants lourds avant leur
extraction.
On extrait ainsi par les sorties 18 les contaminants
lourds pratiquement exempts de Eibres.
On recueille en 16 les contaminants legers, en 13
une suspension completement epuree, en 12 une fraction de la
suspension contenant encore quelques contaminants lourds et
en 17 une fraction de la suspension contenant encore quelques
contaminants legers. Les fractions recueillies en 12 et 17
peuvent eventuellement être recyclees pour parfaire l'epuration.
sien evidemment, dans le cas ou llon n'aurait pas
à effectuer le fractionnement de la suspension fibreuse, on
pourrait se contenter des sorties 12, 16 et 18.
EXEMPLE 5 (voir figure 6)
Les figures 6a et 6b illustrent un autre mode de
realisation dans lequel la forme générale conique divergente
de l'ensemble est donnee par une succession de sections cylin-
driques elementaires 23 de diamètres croissants avec entree
3~
d'eau ou de fluide auxiliaire en 9.
En 6a, on a schematise une demi-coupe de l'appareil
et le mouvement moyen des particules ~Pl - par-ticules lourdes;
P2 - particules ]egères; P3 - particules les plus fines).
En 6b, on a sc~éma-tisé les circuits de recyclage
et l'ecoulement du flulde vec-teur.
~ n tel appareil es-t particulièrement adapte a l'epu-
ration d'une suspension contenant des contaminants tres fine-
ment divises, dont la vitesse de migra~ion est pratiquement
négligeable vis-à~vis de celle des autres composallts de la
suspension.
Dans ce cas, on introduit en 8, de préférence sous
forme concentr~e, la suspension à épurer et en 9 le fluide
auxiliaire.
~omme precedemment, on recùeille respectivement en
16 et 17 les particules legères et les particules très fines.
On recueille en 14 la suspension épurée. On recueille enfin
en 24, 25 et 26 des frac-tions con-tenant des contaminants
très fins à concentration croissante. Les particules recueil-
lies en 24, 25 et 26 sont ramenées en tete de l'appareil
pour être réintroduites à différents niveaux le long des
parois des sections 23.
Les moyens mobiles correspondant aux sorties 14, 24,
25 et 26 sont prolongés chacun d'une pompe 22, ce qui permet
d'alimenter à la pression voulue le circuit aval et les
circuits de recyclage.
Le rideau fluide constitue le long de la paroi joue
le rôle d'un tamis selectif qui laisse migrer les particules
lourdes (fibres, par exemple) vers la péripherie, alors qu'il
fait écran aux particules tres fines.
Un tel dispositif est particulierement avantageux
pour effectuer l'élimination de l'encre dans les procédes
-18-
~53
de desencr:age des vleux papiers.
On peut egalement envisager des variantes de réalisa- L
tion dans lesquelles les sections 23 seraient légère~lent,
soit convergentes, soit divergentes, selon les conditions
d'utilisation envisagées (des sections diveryentes favorisant
notamment l'élimination des particules les plus lourdes, des
sections convergentes augmentant les vitesses de rotation du
fluide~.
EXEMPLE 6 (voir figure 7)
La figure 7 représente la partie tournante d'un
appareil (vitesse de rotation 1650 tours par minute) experimen-
tal realise conformement a l'invention et dans le~uel l'en-
ceinte 1 a une longueur d'environ 75 cm et un diametre inter:ieur
de 24,5 cm. Cette enceinte présente une paroi legèrement
coni~ue (conicite de 3,5 ~).
Un tel appareil, un peu plus difficile à usiner qu'un
appareil à enceinte cylindrique, est particulièrement adapté
pour éviter le colmatage et favoriser l'élimination des com-
posants legers.
On introduit en 10 une suspension papetière a épurer,
contenant des fibres et des contaminants legers, et en 11 de
l'eau (é~entuellement une eau de recyclage de l'usine).'
On recueille en 14 la suspension epuree, en 15 une
fraction incomplètement epuree et plus diluee que l'on pourra
recycler en 8 ou en 9, en 16 les contaminants legers exempts
de fibres, éventuellement en 17 une suspension contenant les
éléments les plus fins.
A titre de comparaison, le taux d'elimination d'un
hydrocyclone classique du commerce a paroi fixe, denomme
" Triclean" de 4 pouces de diamètre construit par la Societe '~
BIRD Machine Co Inc., pour un passage est d'environ 30~ de
particuIes de 0,5 millimètres de diamètre, de densite 0,98,
* --lg-- ,
marque de commerce
~,
3~8~
pour un debi-t de 150 li-tres/minute de pâte à papier ayant une
concentration de 7,5 g/l.
Avec le dispositif de l'i.nvention selon figure 7,
et avec la meme pâte contenant les memes composants, le
taux d'elimination sera en un seul passage de 97 ~ pour un
débit de 300 litres/minute, et les pertes en fibrcs seront
dix Eois plus faibl.es (pertes en fibres ramenees d'environ
1,5 ~ à environ 0,15 %).
Pour obtenir un tau~ d'epu.ration comparable avec cet
" hydrocyclone" TRICLEAN mentionne ci-dessus, il faudrait
au moins di.x passages successifs de la suspension dans l'épu-
ra-teur, ce qui entrainerait une consommation d'énergie beaucoup
trop élevee.
Toujours à titre de comparaison, si on construisait
un hydrocyclone -tournant selon les enseignements du brevet
australien 465,775 de 50 cm de diametre, tournant à 1500
tours/minute, il faudrait l'alimenter a une pression supérieure
à 10 kg pour pouvoir créer un vortex libre dans l'enceinte et
ce à un debit signi~lcati~ A defaut, le debit traite serait
~ 20 tres insuffisant et la qualité de la séparation en serait
diminuee par sui-te d'une turbulence excessive due ~ des exces
de vitesses tangentielles par rapport à la paroi de plusieurs
dizaines de metres/seconde au bas du cane. En ou-tre, la zone
de séparation centrale serait trop reduite pour permettre
une bonne séparation entre les différents composants.
EXEMPLE 7 (voir figure 8)
La figure 8 représente un épurateur à enceinte coni-
que sans bague d'étanchéité destiné a traiter des gros débits
(par exemple, de l'ordre de 10 000 m3/heure) de suspension
de particules légeres solides ou liquides, telles que des
mélanges eau-pétrole. Sur cette figure 8, les parties qua-
drillées representent les parties fixes, alors que les parties
-20-
~Cj3~
hachurees représentellt les parties tournantes. Ici, toutefois:
-- les paliers 6 et 7 ont eté remplacés par des che-
mins de roulement mo-teurs 30 e-t 31,
- les conduits 16 et 17 sont bien situés sur l'axe
longitudinal 2, mais prennent naissance non pas
- exactement au centre du vortex, mais à la periphe-
rie d'un important noyau d'air 20r regule en de-
pression, par des moyens connus non representes,
tels qu'une pompe 3 vide, afin d'obtenir l'effet
de centrifugation necessaire sans augmenter le
niveau general des pressions.
La suspension (eau-petrole) à epurer est introduite
en 9. On recueille en 14 la fraction epuree (eau), en 15
une fract1on incompletement epuree que l'on recycle en 8, et
en 16 la fraction legère (pétrole).
En 17, on recueille une partie de la fractlon legere
melangée à de l'eau en quantité suffisamment faible pour que
ce melange puisse être traité ultérieurement par des moyens
connus.
Ainsi, on a calcule que, pour une enceinte de 10
mètres de long, ayant un volume d'environ 35 m3, on pouvait
-~ traiter de maniere satisfalsante environ lO 000 m3/heure et
ce, pour une vitesse de paroi de l'enceinte l d'environ
90 km/heure (300 tours/minute), une acceleration centrifuge
moyenne de 160 g, une pression intérieure maximum de 8 kg/cm2
et un excès de vitesse du fluide par rapport à la vitesse
de paroi d'environ 2 metres/seconde.
EXEMPLE 8 (voir figure 9)
La figure 9 représente un épurateur également à
enceinte conique sans bague d'étanchéite pour gros débits,
particulièrement adapte à l'épuration des suspensions diluées,
telle par exemple, qu'une pâte à papier très peu concentrée
21-
:~5i3
et contenarlt des contaminan-ts légers.
Ici, le no~au d'air 20 est ré~ule en dépression
de la même façon que précédemrnent par l'intermediaire du
conduit 32.
On a calcule qu'avec un tel appareil, pour une
enceinte de 5 mètres de long, d'un volume interne de 5,5 m3,
on pouvait épurer environ l.000 m3 par heure, pour une vitesse
cle paroi d'environ 70 Km/heure (700 tours/minute) a une ac-
célération centrifuge moyenne de 300 ~, une pression interne
maxi.mum de 15 Kg/cm2 et un exces de vitesse du fluide par
rapport à la vitesse de la paroi 1 d'environ 3 mètres/seconde.
EXEMPLE 9 (voir figure 5)
Un mode d'utilisation avantageux plus particulière-
ment adapté à l'épuration de suspensions concentrées consiste
à introduire la suspension a épurer du coté du sommet du vortex,
ledit vortex étant alors formé principalement par le fluide
auxiliaire; notamment dans le cas de recyclage, par la suspension
recyclee, introduit en 10 et 11.
La suspension initialement concentrée est ainsi in-
troduite par un conduit 17 dans la zone centrale du vortex,à la naissance du mouvement de retour axial, amplifie par un
débit d'extraction du conduit 16 suffisant.
Cet-te disposition, qui ne modifie pratiquement pas
la structure de l'ecoulement puisque le debit introduit en
~ 17 es-t faiblc par rapport au debi.t total traversant l'appareil,
permet d'augmenter la distance radiale à parcourir par les
composants lourds et ameliorer de ce fait la selectivite pour
ces cornposants lourds.
Ce mode de ~onctionnement peut etre adopte pour
tous les modes de réalisation de l'appareil, comportant une
sortie pour les contaminants lourds. Il implique, comrne seule
modification de cons-truction, l'inversion du sens des canaux
~53{.
obliques en 17.
Le dispositif selon l'invention présente de nombreux
avantages par rapport aux dispositifs connus à ce jour. On
peut citer:
- la possibilité de maintenir en péripherie sur
toute la longueur du vortex et quelle que soit cette longueur,
un leger excès de la suspension par rapport à la vitesse de
la paroi, ce qui permet d'augmenter la selectivite de la sepa-
ration des differentes fractions de la suspension a traiter
et reduire les pertes de char~e et par consequent, la con-
sommation d'energie; ceci permet egalement d'utiliser des
appareils de très grandes dimensions specifiquement adaptes
à certaines utilisations, avec une très bonne efficacite;
- la possibilite de recuperer la plus grande partie
de l'energie cineti~ue de rotation communiquée à la suspension,
ce qui permet la réalisation d'appareils de grandes dimensions
à faible depense energetique;
- la possibilite de disposer, au coeur du vortex,
d'une importante zone de centrifuc3ation, ce qui permet de
parfaire la separation des di~ferents composants de la suspension
dans cette ~one;
- la possibilite d'extraire dans le m8me appareil,
simultanement et en continu, des particules lourdes, des
particules le~eres, et differentes fractions de la suspension
epuree, ce qui rend cet appareil tres polyvalent;
- la possibilite d'introduire au moins un fluide
~ auxiliaire, ce qui permet, si necessaire, de parfaire llepu-
ration par " lavage" et/ou par recyclage de certaines frac
tions de ladite suspension.
De la sorte, cet appareil peut être utilise avec
succès dans le traitement de suspensions diverses:
- epuration des pâtes à papier, par exemple de
-23~
~3~ 9
recuperation;
- élimi.nation de l'encre dans les procédés de
desencrage des papiers;
- frac-tionnement de pates à papier diverses;
- épuration des eaux résiduaires ou des eaux polluées;
- séparation efficace de particules dont la densité
est assez voisine de celle du fluide dans lequel elles sont
en 6U spension.
-24-
