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~ wo s6/0s369 2 ~ 7 2 ~ 4 ~ PCT/FR95/01028
nISPOSITIF POUR ~.~ FORMATION D'UN JET PLAN DE LIOUIl:)E.
~.
DoJn~ine Terhni(lue
.
L'invention concerne un dispositif pour la formation d'un jet plan
d'un liquide; elle concerne plus particulièrement la formation d'un tel
jet plan dans le iom~ine du mél~nge, du couchage, de l'enduction et de la
fabrication de matériaux en feuilles ou en plaques à partir de particules en
suspension dans un fluide, notAmmPnt de suspension de fibres dans de
l'eau
L'invention est particulièrement adaptée à l'industrie papetière au
niveau de la formation de la feuille à partir de sUspencion~c fibreuses; elle
trouve ég~lempnt différentes applications dans le domaine de l'enduction
et dans le couchage des papiers et cartons.
Si dans la suite de la description, l'invention est particulièrement
décrite dans son application à la fabrication des papiers, elle peut
ég~lernPnt trouver d'autres applications dans les mPl~nges avec ou sans
é~ h~nge de chaleur dans les industries t~himiques, agro-~liTnPntaires,
pharmaceutiques ou le traitem~Pnt des eaux, ainsi que dans la fabrication
des films à partir de polymères ou de métaux en fusion, ou dans la
fabrication des fibrorimentc.
WO 96/05369 ~ ~ 7 2 ~ ~ ~ PCT/FR9~i10102B
Techniques ar~téri~ures
Dans la fabrication des papiers et des cartons, la suspension fibreuse
se transforme en un jet de pâte sortant de la caisse de tête.
~ omme on le sait, une caisse de tête doit ess~n~iellPmPnt assurer unL
jet uniforme et homogène dans la buse de sortie, tout en atténuant les
irrégularités de vitesse, de pression et de concentration yrovellant du
distributeur d'arrivée de la pâte. Quel que soit le dispositif d'arrivée de la
10 pâte, une caisse de tête doit essentiellement assurer les propriétés
principales suivantes:
- uniformité de l'épaisseur du jet;
- vitesse constante à la buse de sortie;
- homogénéité de la concentration en fibres;
- et si possible, contrôle de la floculation.
Ces propriétés doivent être stables dans l'espace, noPmnlPnt dans le
sens travers, et dans le temps (c'est à dire dans le sens de la marche du
jet), pour que le grammage de la feuille reste constant et homogène.
Pour une ouverture des lèvres constante, toute variation locale du
gramm~ge de la feuille provient soit, d'une variation de vitesse locale,
soit de la concentration provoquée par la floculation, voire des deux à la
fols.
Lorsque la vitesse dans le jet varie, cela provoque une variation de la
quantité de matière, pouvant introduire des variations de l'ordre de 1 à
5 % dans le temps et sur la largeur de la feuille formée .
2~2g~
WO 96/OS369 - ' PCT/FR95/01028
Les variations de vitesse dans le sens travers sont d'origine non
turbulentes. Elles peuvent être aléatoires si l'état de surface de la buse de
sortie est parfait, sinon statiormaires. On a ainsi cherché à uniformiser la
pression dans la buse de sortie pour obtenir une répartition uniforme du
5 champ de vitesses. Toutefois, ce réglage est difficile à obtenir sur des
largeurs de buse de l'ordre ou supérieur à trois mètres.
('omme on le sait, les fluctuations de concentration en fibres sont
liées à la floculation dont l'intensité dépend essentiellement de la
10 turbulence hydrodynamique générée dans la caisse de tête. Cette
turbulence provoque la dislocation des flocs. Ainsi, les tourbillons de
petite taille, c'est à dire dont la taille est inférieure à celle des flocs,
disloquent les flocs en fibres individl-PllPs, alors que les gros tourbillons
entraînent les flocs dans leur mouvement. Il y a donc intéraction de ces
15 deux types de tourbillons entre eux, ce qui peut provoquer une
refloculation.
Les caisses de tête conçues pour la formation à haute concentration
doivent être perform~ntes aux faibles concentration. En effet, pouvoir
20 défloculer un système concentré et l'entretenir dans le jet libre, doit
permettre de réaliser des éColllpmpntc parf~itPmPnt homogènes avec des
concPntrations cour~mment utilisées.
Pour obtenir ce résultat, on fait généralement appel au principe de
25 génération de turbulence classique, avec plus ou moins de variances pour
disloquer les flocs. Or, la turbulence classique n'est pas sllffic~nte pour
une dislocation totale des flocs. Par ailleurs, la couche limite
hydrodynamique dans la buse de sortie, qui intervient not~mment dans
la répartition des vitesses dans le jet, n'est pas prise en compte dans la
30 conception des caisses de tête.
WO 96105369 ~ :~L 7 2 ~ ~ ~ PCT/FR95/01028 ~
L'invention pallie ces inconv.i5niPnts.
Elle vise un dispositif du type en question, permett~nt de générer
une turbulence particulière où la taille des vortex est calibrée tout en
5 suivant une loi discrète tout au long de l'écolllement dans le dispositif.
L'invention vise plus particulièrement une caisse de tête apte à
générer des vortex permettant d'assurer la dislocation des flocs dans de
meilleures conditions, notamment par un effet d'élongation
10 rotationnelle, connue sous le terme An~ "swirling".
FYposé ~le l'i..v~,.lion
Ce dispositif pour la formation d'un jet plan de liquide du type
15 comprenant:
- des moyens d'~lim~nt~tion d'un liquide;
- des moyens de répartition du débit et de contrôle de la turbulence
du liquide ~limPnté;
- des moyens de sortie du jet plan formé
20 se r~r~rt~rice en ce que les moyens de répartition du débit et de contrBle
de la turbulence du liquide ~limenté sont formés:
- d'un premier canal incurvé fixe pour l'éco~ m~nt du liquide;
- d'un second canal d'écolll~mrnt incurvé, d'axe parallèle à celui du
premler canal;
- et de moyens pour former des vortex calibrés d'axe parallèle à celui
des canaux incurvés, de m~nière à créer une répartition transversale
harmonique des vitesses et des pressions, et à contrôler l'érhelle et le
niveau des vortex.
WO 96/05369 ~ ~ 7 ~ 8 ~ 5 PCTIER9S/01028
Ce dispositif est particulièrement adapté au traitement des
suspensions fibreuses dans l'industrie papetière.
Dans une forme d'exécution ~r~f~rée, l'invention consiste, dans
5 une caisse de tête d'une machine à papier, à introduire la suspension
fibreuse dans deux canaux incurvés s~lccess;~s à axe parallèle, co~Yi~-~x
noPmment, de mAni~re à former des vortex calibrés d'axe parallèle à
l'éco-ll~mPnt, donc aux canaux, pour créer une répartition transversale
harmonique des vitesses et des pressions, et par voie de conséquence
10 former un jet homogène en vitesse et à floculation réduite, même à
haute concentration.
Avantage-l~PmPnt en pratique;
- le moyen pour former des vortex calibrés est constitué par au
15 moins un cylindre rotatif d'axe parallèle à celui des deux canaux
incurvés;
- les deux canaux incurvés sont disposés en série de m~ni~re à
produire une s--ccession d'é~ ~PllPs et de niveaux de turbulence adaptée à
la défloculation progressive de la suspension fibreuse.
Le premier canal externe d'écolllemPnt fixe produit des vortex
calibrés de grande échelle adaptée à la dispersion des plus grands flocs.
Le second canal interne d'écoulement à axe parallèle au premier,
25 associé au cylindre rotatif, produit des vortex calibrés de petite é- hPlle
adaptée à la dispersion des plus petits flocs de fibres.
Le cylindre rotatif tourne dans le même sens que l'éco--lPmPnt de la
suspension, et la vitesse périphérique du cylindre rotatif est d'environ
30 trois à quatre fois supérieure à celle de la vitesse de l'éco-~lem~nt, si l'on
désire n~inimi~r les pertes de charges.
WO 96/OS369 PCI~/FR95/01028
2 1 7 2 ~ 6
Le cylindre rotatif présente un état de surface non uniforme, par
exemple dont la génératrice épouse une ligne brisée ou ondulée, de
~r~ellce régulière.
Avantage~ m~nt, la génératrice du cylindre épouse la forme d'une
rainure sinuso-idale radiale dont la longueur d'onde est d'environ deux à
dix fois (de ~réLélellce trois à cinq fois) la longueur moyenne des fibres.
Si le plus généralement, le dispositif comporte un seul cylindre
rotatif, il peut ég~l~m~nt en comporter deux d~axes par~ les.
Dans une autre forme d'exécution, le dispositif comporte ég~lem~nt
un organe déflecteur disposé entre le cylindre rotatif et le jet de sortie
pour séparer l'ecolllement entre l'~lirnentation et la sortie dans le canal
lnCurvé
Dans une autre forme d'éxécution, le dispositif présente des moyens
d'introduction d'eau, de solutions ou de suspensions, ménagés le long
d'une génératrice d'au moins un des canaux incurvés, de m~ni~re à
réguler la concentration et la composition de la pâte au niveau du jet.
Dans une variante, on introduit dans ce moyen une composition
différente (agents de rétention, ~léments fins, etc..) de la suspension
principale, de m~ni~re à créer un mélange efficace des différentes
25 suspensions dans le jet.
Dans une autre forme d'éxécution avantageuse, on associe au moins
deux ~ ses de tête conformes à l'invention, évPnt1lellement avec une
ou plusieurs caisses de tête col,v~l~tion~ s (papiers et cartons mllltijetc).
~ WO 96/05369 PCT/FR95/01028
2~72g45
Ainsi, la nouvelle caisse de tête conforme à l'invention vise à
générer une turbulence particulière où la taille des vortex est calibrée. La
taille de ces vortex varie discrètPment ou continllen~PTIt tout le long de
l'écolllement. Ainsi, à l'entrée de la caisse, on commPnce par générer des
5 vortex de Dean de grande taille dans le premier canal incurvé, de m~ni~re
à disloquer les grands flocs en plus petits flocs. Dans le second canal
incurvé coaxial au premier, on réduit à nouveau ces flocs par des vortex
de Taylor modifiés de plus en plus petits, jusqu'à dislocation totale.
Dans la version à deux cylindres parallèles rotatifs, on réduit encore
plus la taille de ces vortex de Taylor pour disperser les plus petits flocs.
Comme on contrôle l'intPn~ité et la taille des vortex tout le long de
ces canaux, on change complètPment l'intéraction floculation- turbulence
par une action de la turbulence sur la floculation. Ce dispositif permet
donc d'obtenir des suspensions très homogènes, même à haute
roncentration (quatre pour cent et plus), et ce quelle que soit la nature des
fibres.
Par ailleurs, la durée de vie dans le jet libre des vortex générés est
beaucoup plus importante que celle d'une turbulence classique, exploitée
jusqu'alors.
Ce paramètre est important dans le jet libre, car la relaxation, c'est à
dire la réapparition des flocs, en dépend fortement étant donné que la
pro.ll-ctioI de la turbulence n'existe plus.
La m~niPre dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui
en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent,
à l'appui des ~igures annexées.
WO 96t05369 PCT/1;~95/01028
Des-liyli~Jl, somm~ire des ~ssins
La figure 1 est une représentation d'un dispositif conforme à
l'invention dans son application aux caisses de tête pour la fabrication du
5 papier.
La figure 2 est une variante d'éxécution de la figure 1 avec recydag
ou dilution.
La figure 3 est un autre mode d'éxécution de l'invention, dans
laquelle trois dispositifs sont associés.
La figure 4 est une représentation st~h~mAtique de l'invention en
appli~Atio~ du couchage du papier.
M~nières de r~ er l'invention
La caisse de tête conforme à l'invention, ~ési~née par la réfere~,ce
générale (1 ) comprend une enceinte (2) reliée par le bas à une
20 alimentation (3) en suspension fibreuse, d'usage courant dans la
fabrication des papiers ou des cartons.
L'~nceinte (2) de forme parallélipipédique, par exemple de section
carrée, présente un orifice de sortie (4) d'où est issu le jet plan (J). L'orifice
25 de sortie (4) est avantagellcPm~nt formée de mAni~re connue d'une lèvre
fixe inférieure (5), et d'une lèvre supérieure (6), ajustable par rapport à la
lèvre inférieure (5), pour régler la ~lim~nsion de la sortie.
~ wos6/0s36s 2~7~415 PCT/I~R95/01028
Selon une première caractéristique de l'invention, le conduit
d'~linlent~tion (3) débouche dans un premier espace (10) formé entre la
paroi verticale rectiligne (11) et une portion incurvée (12) de mani~re à ce
que l'épaisseur de la veine du fluide liquide (F) diminue
5 progressiveTnent-
Selon une seconde caractéristique de l'invention, le flux liquide (F)pénètre dans un premier canal d'éconlement incurvé fixe, ~lési~né par la
référence générale (15), formé de deux plaques coxiales incurvées,
10 respectivement extérieure (16) et intérieure (17) dans le prolongement de
(12). Dans ce canal (15), on génère des vortex de Dean de grande taille qui
disloquent les grands flocs en petits flocs. La zone incurvée (16) fait tout le
tour de l'enceinte (2) et à hauteur de la paroi (18) parallèle à (11) se soude
en (19) à l'entrée (20) de la lèvre supérieure (6).
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif
comprend égal~ment un second canal, lé~igné par la ré~re~,ce générale
(25) formé par la face interne de la plaque incurvée (17), de mani~re à ce
que la suspension fibreuse (F2) soit soumise à des vortex de Taylor
20 modifié de plus en plus petits, jusqu'à dislocation totale des flocs.
Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, le
dispositif comprend égalem~nt un cylindre tournant (26) autour d'un axe
(29) parallèle à l'axe des canaux (15 et 25), entraîné par un moteur (27) au
25 moyen d'une courroie (28).
La suspension traitée (F3) pénètre dans le canal de sortie (4) pour
former ainsi le jet plan a) recherché.
WO 96/05369 PCT/FR9S/01028 ~
~2~ 1 o
Ainsi, tout au long de l'écoulement (F1, F2, P3), on contrôle
l'intPn~ité, le niveau et la taille des vortex, ce qui provoque une action de
la turbulence sur la floculation, au lieu d'une intéraction floclllA~io~-
turb~lence.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le cylindre rotatif (26)
qui forme l'espace confiné de ri~illement avec la plaque incurvée (17)
présente une génératrice qui n'est pas une ligne droite, mais varie de
manière harmonique.
Cette génératrice peut épouser des formes variées, telles que par
exemple en dents de scie, en créneaux, en arcs de cercle, et de ~ré~re~ce
en forme de sinusoïde. Comme déjà dit, la longueur d'ondes de ces
formes, sinusoïde par exemple, est de l'ordre de trois à cinq fois la
15 longueur moyenne des fibres de la suspension à traiter.
Dans une variante non illustrée mais utile, les canaux (15 et 25) ont
une épaisseur décroi~s~nte dans le sens de l'éco--leTnPnt
Dans la forme d'éxécution perfectionnée montrée à la figure 2,
l'orifice de sortie (4) est associé à une sortie parallèle (30) de recyclage ou
de dilution, disposée légèrement en aval de (4) pour permettre d'accroître
le débit dans le dispositif, et donc l'intensité de vorticité, tout en
a..~ment~nt la vitesse du cylindre tournant (26), sans modifier le débit de
25 sortie ~4) de la caisse.
Lorsque l'on désire diluer, les points d'injection des eaux co;nt~ Pllt
sp~ti~l~ment avec les ondulations de la génératrice du cylindre tournant
(26).
~ WO 96/05369 ~ ~ ~ 7 ~ PCTIFR~5/01028
1 1
En pratique, la vitesse de rotation du cylindre caractéristique (26)
peut varier de un à dix fois la vitesse d'AmPTIée de l'écolllPmPllt (F) et ce,
dans un sens ou dans l'autre.
J
Dans l'exemple de réalisation illustré dans la figure 3, le dispositif
comprend trois jets (40-42), issus de trois caisses conformes à l'invention
(43,44,45) où sont introduites diverses suspPr~ionc conPn~nt des fibres de
longueur différente et/ou de concentration différente. Les référellces
(46,47) design~nt une toile, et les r~lences (48,49) deux cylindres rotatifs
d'une machine à papier.
Les référ~,ces (60,61,62) ~1ésignent les organes d'AlimentAtion de pate et
les ré~l~nces 63,64,65) les organes de dilution.
Cette disposition qui permet de réaliser une structure mlllticouches
composée de différents types et/ou sortes de fibres, est avantageuse
lorsqu'on fait appel à des suspensions de fibres grossières à fortes
concentrations dans le dispositif central d'Alimentation.
La figure 4 montre schématiquement un mode de réalisation dans
l'application au couchage du papier.
Ce dispositif constitue alors une tête d'enduction qui délivre un jet
plan dosé de sauce de couchage (55) sur un cylindre (56) ayant le r81e, soit
de support de la feuille de papier (57), soit de rouleau transfert.
La sauce d'enduction (E) est Amenée en (50) pour être confinée dans
- un premier canal (52) incurvé formé entre un cylindre rotatif (53)
analogue à (26) et une tôle extérieure (54) co~xiAle à (53). La r~n~ Ation
(52) incurvée présente une section ro~cPnte, par exemple rectangulaire.
WO 96/05369 PCT/l;~g5/01028
4~ 1 2
Cette canalisation débouche en (55) dans un espace confiné avec le
rouleau d'enduction (56) tournant dans le sens indiqué par la flèche (R).
Le râcle (51) permet de contrôler et de limiter la recirculation de la sauce
dans le canal (52).
En pratique, la vitesse tangPntiPlle du cylindre (56) est de l'ordre de
trois fois la vitesse débitante dans le canal (52)..
Le dispositif conforme à l'invention présente de nombreux
10 avantages, noPmlnPnt par rapport aux caisses de tête connues à ce jour à
haute, normale ou basse concentrations. On peut citer:
- la répartition uniforme de vitesse dans le jet, quel que soit le
dispositif assurant l'arrivée de la pâte dans la caisse, du fait de l'~hsPnce decouche limite et de la répartition harmonique dans le sens travers de la
15 pression relative, l'intensité et la longueur d'onde de cette variation
harmonique étant parfaitPnnPnt controlées;
- une suspension homogène, même à haute concentration, grâce à la
turbulence calibrée dont la taille des vortex est adaptée tout le long
d'écol~lPment de la pâte dans la caisse de tête;
- la durée de vie de la turbulence prolongée dans le jet libre du fait de
l'intPn~ité de la vorticité des vortex, parfaitPmPnt contrôlable.
De la sorte, ce dispositif peut être utilisé avec succès dans la
fabrication des papiers, dans les caisses de tête, et ég~l~m~nt pour le
couchage du papier.
