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CA 02750690 2011-07-25
WO 2010/086528 PCT/FR2010/000065
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TITRE : Dispositif de séparation granulométrique sélective de matières
pulvérulentes solides, à action centrifuge, et procédé d'utilisation d'un tel
dispositif.
La présente invention concerne un dispositif de séparation
granulométrique sélective de matières pulvérulentes solides, à action
centrifuge, ainsi qu'un procédé d'utilisation d'un tel dispositif.
Ce type de dispositif permet de séparer un flot de particules
présent dans un courant de gaz en deux fractions, l'une fine inférieure à une
granulométrie déterminée, l'autre grossière supérieure à ladite granulométrie.
Un tel dispositif est également dénommé dans le milieu
industriel correspondant Sélecteur à air à action centrifuge .
La séparation est réalisée à l'aide d'un rotor cylindrique à axe
vertical, muni de pales régulièrement réparties sur sa périphérie, et entre
lesquelles les particules sont soumises à des forces antagonistes, à savoir,
d'une part, la force centrifuge générée par la rotation du rotor et qui tend à
les
rejeter, et d'autre part, la force de traînée générée par la vitesse d'un gaz
aspiré vers le centre du rotor, et qui tend à les entraîner avec lui vers la
sortie
dudit gaz.
Ainsi, la force centrifuge est plus élevée pour les particules de
dimensions les plus grosses et la force de traînée plus élevée pour les
particules de dimensions les plus faibles, ce qui réalise la sélection
granulométrique des matières traitées. Les matières aux dimensions
inférieures à une granulométrie déterminée de sélection sont donc entraînées
avec le gaz vers la sortie dudit gaz, tandis que les matières aux dimensions
supérieures à ladite granulométrie déterminée retombent et sont collectées de
façon gravitaire.
De tels dispositifs à haute performance de séparation sont
notamment décrits dans les documents FR-2.642.994 ou FR-2.658.096.
L'alimentation des matières à traiter peut être réalisée à la fois
par la partie supérieure de façon gravitaire, dans lequel cas les matières
sont
généralement dispersées par un plateau tournant solidaire du rotor, ou comme
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une suspension dans le gaz entrant, ou encore en combinant les deux modes
d'alimentation précédents.
Dans les appareils connus de l'état de la technique, la collecte
de matières dont les dimensions sont supérieures à la granulométrie
déterminée de sélection est réalisée par l'intermédiaire d'une trémie en forme
de cône inversé, située sous le rotor. Les parois de la trémie doivent avoir
une
pente importante par rapport à l'horizontale, généralement de 50 à 60 , pour
assurer l'écoulement gravitaire des matières vers la sortie, à la pointe du
cône.
Cette pente détermine la hauteur de la trémie conique, qui constitue une
partie
substantielle de la hauteur de l'appareil complet. La hauteur de cette trémie
ne
peut ainsi être réduite et peut poser des problèmes d'intégration dans
certaines installations.
En outre, la structure et l'encombrement de cette trémie
inférieure impose de prévoir la motorisation du rotor à la partie supérieure
du
dispositif. A cette fin, la sortie des gaz est suivie immédiatement d'un coude
afin de pouvoir positionner le moteur du rotor au-dessus de ce coude. Cette
configuration nécessite toutefois de prévoir l'arbre de rotation reliant le
moteur
et le rotor d'une longueur suffisante afin de pouvoir traverser le coude. A
l'intérieur de ce coude, l'arbre de rotation doit être protégé par une gaine
dont
le revêtement extérieur, spécifique, doit résister à l'abrasion.
On connaît toutefois du document GB 943722 un sélecteur de
génération antérieur apte à séparer des matières pulvérulentes en deux
fractions, l'une de granulométrie fine, l'autre de granulométrie grossière, et
enseignant une collecte des matières grâce à un système de collecte à lit
fluidisé, de faible pente, afin de réduire la hauteur du dispositif.
Un autre inconvénient de ce type d'appareil est que la
séparation entre les grains de dimensions inférieures et supérieures n'est pas
parfaite, une partie des grains fins, inférieurs à ladite granulométrie
déterminée, chutant avec les grains les plus gros dans la trémie.
Le taux desdits grains fins rejetés avec les matières grossières
est couramment appelé by-pass de sélection et constitue une imperfection.
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Cette imperfection peut être le résultat d'un effet de groupe, les grains
fins,
attachés à des grains plus gros, étant rejetés par le rotor, chutant ainsi
dans la
trémie, voire d'une mauvaise alimentation des matières pulvérulentes dans le
dispositif.
Le but de la présenté invention a pour objet de pallier tout ou
partie des inconvénients précités.
Plus particulièrement, le but de la présente invention est de
proposer un tel dispositif, voire un procédé, permettant de réduire le by-pass
de sélection, à savoir le taux des matières fines rejetées avec les matières
grossières.
Un autre but de la présente invention peut être de proposer un
dispositif de séparation granulométrique d'encombrement en hauteur limitée.
Un autre but de la présente invention peut être de proposer un
tel dispositif dont l'architecture de motorisation du rotor est sensiblement
simplifiée.
D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la
description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas
pour
but de la limiter.
L'invention concerne tout d'abord un dispositif de séparation
granulométrique sélective de matières pulvérulentes solides, à action
centrifuge, apte à séparer les matières en deux fractions, une fraction de
matières fines et une fraction de matières grossières, comprenant :
- une enveloppe,
- un rotor cylindrique, rotatif par rapport à ladite enveloppe
selon un axe vertical, interne à ladite enveloppe, muni de pales réparties sur
la
périphérie dudit rotor,
- des moyens d'alimentation dans ladite enveloppe d'un flux
gazeux rentrant au travers desdites pales dans ledit rotor,
- un ensemble d'aubes, internes à ladite enveloppe et
entourant ledit rotor, fixes par rapport à ladite enveloppe et éventuellement
orientables, disposées coaxialement en vis-à-vis des pales pour être
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traversées par ledit flux gazeux rentrant,
- des moyens d'introduction des matières solides à trier dans
ladite enveloppe,
- une sortie du rotor, ladite sortie permettant l'évacuation
dudit flux de gaz et des matières entraînées, fines,
- des moyens de collecte, inférieurs audit rotor, pour les
matières non entraînées, grossières, ayant chuté.
Selon l'invention, lesdits moyens de collecte comprennent un
système périphérique à lit fluidisé, dont le lit s'étend autour de l'axe dudit
rotor
cylindrique, au moins en dessous desdites aubes et de l'inter espace compris
entre lesdites aubes et ledit rotor, la vitesse du gaz de fluidisation dans
une
section horizontale du lit fluidisé étant inférieure à 1 m/s de telle façon à
produire une nouvelle séparation entre les matières fines et les matières
grossières pour laquelle lesdites matières fines sont renvoyées dans l'inter
espace entre lesdites aubes et ledit rotor.
L'invention concerne également un procédé d'utilisation d'un
dispositif de séparation granulométrique conforme à l'invention dans lequel on
introduit une fraction de matière pulvérulente dans ladite enveloppe entre les
aubes et le rotor du dispositif et on la divise, d'une part, en une fraction
de
matière fine, de dimension de particules inférieures à une granulométrie
déterminée, entraînée par ledit flux gazeux rentrant au travers du rotor vers
la
sortie, notamment supérieure, du dispositif et, d'autre part, en une fraction
grossière, de dimension de particules supérieures à ladite granulométrie
déterminée, rejetée par le rotor vers lesdits moyens de collecte du
dispositif,
procédé dans lequel on détermine la vitesse moyenne d'air de fluidisation dans
une section horizontale du lit fluidisé inférieure à 1 m/seconde et de telle
façon
à minimiser dans les rejets le taux des particules inférieures à ladite
granulométrie déterminée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description
suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels :
- La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de
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séparation granulométrique de l'état de la technique,
- la figure 2 est une vue d'un dispositif de séparation
granulométrique conforme à l'invention selon un mode de réalisation,
- la figure 3 et une vue schématique d'un dispositif conforme
5 à l'invention selon un second mode de réalisation,
- la figure 4 est un graphique illustrant pour une installation de
l'état de la technique selon la figure 1, le taux de rejet en fonction du
diamètre
de particules,
- la figure 5 est une vue schématique d'un dispositif conforme
à l'invention selon un troisième mode de réalisation.
La figure 1 est un schéma illustrant un dispositif de séparation
de l'état de la technique.
Ce dispositif 1' comprend une enveloppe 6', à l'intérieur de
laquelle un rotor 2', muni de pales 3' sur sa périphérie, peut tourner selon
un
axe de rotation vertical.
Un ensemble d'aubes 7' entoure le rotor 2', en vis-à-vis des
pales. Les aubes permettent de guider un flux gazeux en direction des pales 3'
vers le centre du rotor. Les aubes sont munies de pivots, selon un axe
vertical,
qui permettent leur mouvement afin d'ajuster leur orientation pour adapter la
vitesse des gaz atteignant le rotor à la vitesse de rotation du rotor.
Les pivots de toutes les aubes directrices sont reliés à un
même dispositif permettant d'orienter en même temps toutes les aubes selon
un même angle par rapport à la surface périphérique du rotor.
Une trémie 10', disposée inférieure au rotor et aux aubes du
dispositif, permet la collecte des matières ayant chuté, rejetées par le
rotor,
tandis que les matières entraînées par les gaz aspirés, sont évacuées par la
sortie 9'.
Cette sortie 9' est immédiatement suivie d'un coude 90' afin
d'autoriser le positionnement de la motorisation du rotor au-dessus de ce
coude. L'arbre de rotation 21', appartenant conjointement au rotor et à sa
motorisation (non illustrée), traverse ce coude à l'intérieur duquel il est
protégé
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par une gaine 22'.
L'alimentation en gaz du dispositif est réalisée par l'enveloppe
6' ainsi que par une gaine verticale 5' prolongeant ladite enveloppe 6' vers
le
bas en englobant la trémie 10'.
Les matières à trier peuvent être en suspension dans le
courant de gaz alimenté, ou encore être déversées à la partie supérieure du
rotor au niveau de points d'introduction 8'.
Comme il peut être constaté sur la figure 1, selon l'état de la
technique, la trémie 10' présente une hauteur substantielle pour le
dispositif, et
participe donc à l'encombrement en hauteur. La trémie oblige en outre de
positionner la motorisation au dessus du rotor 2'.
L'invention concerne un dispositif 1 de séparation
granulométrique sélective de matières pulvérulentes solides, à action
centrifuge, comprenant :
- une enveloppe 6,
- un rotor cylindrique 2, rotatif par rapport à ladite enveloppe
selon un axe vertical, interne à ladite enveloppe, muni de pales 3 réparties
sur
la périphérie dudit rotor,
- des moyens d'alimentation dans ladite enveloppe 6 d'un flux
gazeux rentrant au travers desdites pales 3, dans ledit rotor 2,
- un ensemble d'aubes 7, internes à ladite enveloppe 6 et
entourant ledit rotor 2, fixes par rapport à ladite enveloppe et
éventuellement
orientables, disposées coaxialement en vis-à-vis des pales pour être
traversées par ledit flux gazeux rentrant,
- des moyens d'introduction des matières solides à trier dans
ladite enveloppe 6,
- une sortie, notamment supérieure audit rotor 2, notamment
agencée par rapport auxdits moyens d'alimentation d'un flux gazeux de telle
façon à engendrer un flux de gaz ascendant à l'intérieur dudit rotor, ladite
sortie 9 permettant l'évacuation dudit flux de gaz, notamment ascendant, et
des matières entraînées, fines,
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- des moyens de collecte 10, inférieurs audit rotor 2, pour les
matières non entraînées, grossières, ayant chuté.
On entend par le fait que les aubes 7 sont fixes par rapport à
l'enveloppe 6 le fait qu'elles ne tournent pas avec les pales 3 du rotor. Ces
aubes sont néanmoins éventuellement orientables afin d'adapter la vitesse du
gaz atteignant le rotor à la vitesse de rotation dudit rotor.
A cette fin, les aubes 7 peuvent être munies de pivots selon un
axe vertical, les pivots de toutes les aubes directrices étant reliés à un
même
dispositif qui permet d'orienter, en même temps, toutes les aubes selon le
'10 même angle par rapport à la surface périphérique du rotor.
Selon l'invention, lesdits moyens de collecte 10 comprennent
un système périphérique à lit fluidisé, dont le lit s'étend autour de l'axe A
dudit
rotor cylindrique 2, au moins en dessous desdites aubes 7 et en dessous de
l'inter espace compris entre lesdites aubes 7 et le rotor 2.
En outre, afin de réduire le by-pass de sélection, la vitesse du
gaz de fluidisation dans une section horizontale du lit fluidisé est
inférieure à
1 m/s, notamment comprise entre 30 et 50 mm/s, de telle façon à produire une
nouvelle séparation entre les matières fines et les matières grossières pour
laquelle lesdites matières fines sont renvoyées dans l'inter espace entre
lesdites aubes 7 et ledit rotor 2.
Tel qu'illustré, selon l'exemple de la figure 2, le système
périphérique à lit fluidisé peut comprendre une auge 11 formant un couloir
périphérique, le fond dudit couloir présentant des moyens 16, 17, 18 de
soufflage d'air.
Ladite auge 11, dans un plan sensiblement horizontal, est
construite de telle façon à constituer ledit lit fluidisé pour les matières
granuleuses ainsi recueillies.
Les moyens de soufflage d'air peuvent prendre la forme d'une
paroi poreuse 18, telle qu'une toile, définissant le fond de ladite auge en
aval
d'un plenum 17 pourvu d'une alimentation en gaz 16.
Alternativement, les moyens de soufflage d'air peuvent
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prendre la forme d'une pluralité de buses, notamment métalliques, réparties
sur le fond de ladite auge, en avant d'un plenum pourvu d'une alimentation en
gaz.
Le couloir périphérique de ladite auge peut être constitué d'un
ensemble de gouttières droites, mises bout à bout, selon une configuration en
polygone.
Le dispositif peut présenter des moyens pour déverser les
matières collectées dans ladite auge dans un ou plusieurs collecteurs 22. A
cette fin, ces moyens peuvent prendre la forme d'une surverse, d'une sous-
verse, de moyens de soutirage, ou autres.
Selon un exemple non illustré, chaque gouttière droite du
polygone peut présenter une faible pente, les tronçons du couloir constituant
alors ainsi autant d'aéroglissières. Un collecteur peut être prévu en bas de
chacune desdites aéroglissières pour recueillir les matières granulaires.
Selon un autre mode de réalisation, tel qu'illustré à la figure 2,
il s'agit d'un collecteur 22 intérieur au couloir périphérique. Selon cet
exemple,
les matières sont évacuées du couloir périphérique par débordement ou
surverse.
Le ou les collecteurs 22 peuvent être ainsi situés intérieurs au
couloir périphérique, tel qu'illustré à la figure 2, positionnés sur le
couloir
périphérique notamment aux angles d'un polygone, ou encore prévus
extérieurs au couloir périphérique.
Une fois la matière recueillie dans le collecteur 22, celle-ci peut
être évacuée par un dispositif de manutention 23. Le dispositif de manutention
23 peut être une aéroglissière, ou encore un convoyeur mécanique tel que vis
d'Archimède, un convoyeur à chaîne, un couloir vibrant, un convoyeur à bande
ou autres.
Avantageusement, la sortie 14 des moyens de collecte 10 peut
être à une distance verticale réduite par rapport à la position du rotor.
La matière alimentée dans ladite enveloppe 6 peut être
apportée avec le flux gazeux rentrant sous forme d'une suspension.
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Alternativement ou additionnellement, la matière alimentée peut être apportée
de façon gravitaire au-dessus du rotor et être dispersée par un plateau
tournant 24 solidaire en rotation du rotor. Dans tous les cas, la matière
alimentée arrive en grande quantité dans la zone entre les aubes et les pales
du rotor, zone où se fait la grande partie de la sélection.
Nous décrivons maintenant l'exemple des figures 2 et 3.
L'exemple de la figure 2 comprend un rotor 2 de forme
cylindrique à axe vertical A muni à sa périphérie de pales 3 régulièrement
espacées. Le rotor 2 est traversé par un courant gazeux chargé de particules,
qui pénètre par sa surface latérale et ressort au centre de sa base supérieure
dans une direction axiale vers la sortie 9. L'autre base inférieure 25 est
totalement fermée.
Le rotor 2 est mû par un ensemble moteur par l'intermédiaire
d'un arbre vertical 26.
Par l'effet de la rotation du rotor 2, les particules sont soumises
à la force centrifuge qui s'oppose à leur entrée à travers les pales 3 tandis
que
la vitesse des gaz imprime une force de traînée qui entraîne les particules
vers
le centre. L'équilibre entre les deux forces est telle que les particules les
plus
fines sont entraînées avec le gaz vers la sortie 9 alors que les particules
grossières sont rejetées par le rotor et tombent pour être collectées par les
moyens de collecte 10.
Selon l'invention, les moyens de collecte 10 comprennent un
système périphérique à lit fluidisé dont le lit s'étend autour de l'axe A du
rotor 2
cylindrique au moins en dessous des aubes 7 et en dessous de l'inter espace
compris entre lesdites aubes 7 et le rotor 2 du dispositif. Se faisant le lit
recouvre ainsi ledit inter espace entre les aubes 7 et les pales 3 du rotor,
inter
espace à partir duquel tombe la majorité des matières non entraînées, rejetées
par le rotor.
Le rotor 2 est entouré par une rangée d'aubes verticales 7
régulièrement espacées, disposées selon un cylindre virtuel. Ces aubes sont
munies de pivots, selon un axe vertical, qui permettent leur mouvement afin
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d'ajuster leur orientation pour adapter la vitesse du gaz atteignant le rotor
à la
vitesse de rotation du rotor. Les pivots de toutes les aubes 7 sont reliés à
un
même dispositif qui permet d'orienter en même temps toutes les aubes selon
le même angle par rapport à la surface périphérique du rotor.
5 Le rotor 2 est également muni de pales 27 situées entre les
pales périphériques 3 et l'arbre 26, servant à guider vers l'orifice de sortie
les
veines de gaz qui sortent des pales 3 périphériques, évitant ainsi la
formation
d'un vortex à l'intérieur du rotor.
La matière alimentée vers le rotor 2 est apportée par des
10 points d'introduction 81, supérieurs et est dispersée par un plateau 24.
Une
partie des matières pulvérulentes peut être également apportée avec le flux
gazeux 51. Les matières dispersées, ou encore en suspension dans le flux
gazeux sont triées en majeure partie dans l'inter espace entre les aubes et le
rotor.
Selon cet exemple de la figure 2, les moyens d'alimentation
d'un flux gazeux sont constitués par ladite enveloppe 6 ainsi que par une
gaine
verticale 5 prolongeant ladite enveloppe 6 vers le bas. L'ensemble
enveloppe/gaine verticale englobe ainsi, du bas vers le haut, lesdits moyens
de
collecte 10, ainsi que l'ensemble aubes 7/rotor cylindrique 2. Selon cet
exemple de la figure 2, les moyens de collecte 10 comprennent une auge
formant un couloir périphérique constitué d'une succession de gouttières
droites, mises bout à bout. Selon cet exemple non limitatif, le déversement
des
matières granuleuses du lit fluidisé se fait par surverse. Telle qu'illustrée,
la
rive extérieure 21 de ladite auge est à un niveau supérieur à la rive
intérieure
20, ladite rive intérieure constituant un bord de déversement de matières vers
un collecteur 22. Le collecteur 22 évacue la matière grâce à un dispositif de
manutention 23 globalement à l'horizontale, tel que par exemple par une
aéroglissière.
L'exemple de la figure 3 diffère de celui de la figure 2 par la
forme des moyens d'alimentation d'un flux gazeux.
Selon cet exemple de la figure 3, lesdits moyens d'alimentation
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d'un flux gazeux sont constitués par ladite enveloppe 6 qui entoure l'ensemble
aubes 7/rotor cylindrique 2, à l'exception desdits moyens de collecte 10 qui
restent libres d'accès, notamment en cas de maintenance. Lesdites aubes 7
matérialisent la surface latérale d'un cylindre virtuel coaxial à l'axe A du
rotor
cylindrique 2. Le volume défini entre la paroi intérieure de ladite enveloppe
6
et la surface latérale dudit cylindre virtuel forme une volute.
Les autres éléments du dispositif de la figure 3 sont identiques
à ceux de la figure 2. La section droite de la volute, dans chaque plan radial
coupant l'axe du rotor peut être décroissante, notamment linéairement, en
fonction de l'angle au centre ayant pour origine l'entrée d'alimentation 61 en
gaz.
Dans le cas de matières pulvérulentes alimentées comme une
suspension dans le flux gazeux, l'enveloppe 6, formant la paroi extérieure de
la
volute, peut présenter une double inclinaison avec une section de paroi
inférieure 64 inclinée, notamment d'un angle par rapport à l'horizontale
supérieur ou égal à 300, et une section de paroi supérieure 65 verticale.
La paroi inférieure inclinée 64 permet, par sa pente, d'éviter le
dépôt des matières pulvérulentes et ainsi la formation d'une couche de matière
stagnante dans la volute.
Avantageusement, selon un mode de réalisation illustré à la
figure 5, le système périphérique à lit fluidisé peut permettre de laisser un
dégagement 30 intérieur audit système, permettant de motoriser le rotor par le
bas avec une mise en oeuvre beaucoup plus simple qu'une motorisation
supérieure.
Selon cette configuration, on remarque que l'encombrement en
hauteur peut être encore limité grâce à un arbre de rotation 26 de longueur
réduite. Selon cet exemple, les divers tronçons formant le couloir
périphérique
de ladite auge 11 peuvent présenter une ou plusieurs pentes au bas de la ou
desquelles un ou plusieurs collecteurs de matière peuvent être prévus, tel que
précédemment décrit.
L'avantage de l'invention réside dans l'agencement et le mode
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de fonctionnement des moyens de collecte, plus particulièrement du lit
fluidisé
dans le but de réduire le by-pass.
Ainsi, avantageusement, la vitesse du gaz du lit fluidisé dans
une section horizontale peut être inférieure à 1 m/seconde, notamment
comprise entre 30 à 50 mm/s, de telle façon à minimiser la quantité de
particules les plus fines entraînées avec les rejets grossiers.
Cette vitesse moyenne d'air de fluidisation est déterminée afin
qu'il se produise un nouveau tri (nouvelle séparation) dans lequel seuls les
grains les plus fins, de dimensions inférieures à la granulométrie déterminée
sont entraînés par l'air qui s'échappe du couloir, et renvoyés dans le courant
de flux gazeux rentrant dans l'inter espace entre les pales et aubes du
dispositif. Ainsi, une partie des grains les plus fins qui ont été rejetés au
cours
du premier processus de sélection par le rotor peuvent retourner dans la zone
de tri, en avant du rotor.
Si au contraire dans ce processus de fluidisation des grains de
taille grossière, de dimensions supérieures à la granulométrie de sélection
déterminée sont entraînés par le flux d'air qui s'échappe du couloir, ces
grains
seront soumis à nouveau au processus de tri, rejetés par le rotor,
n'introduisant aucun risque de dégradation de la performance de l'appareil.
Ainsi, l'invention concerne également un procédé d'utilisation d'un dispositif
1
de séparation granulométrique sélective de matières pulvérulentes solides, à
action centrifuge selon l'invention, dans lequel on introduit une fraction de
matières pulvérulentes dans ladite enveloppe 6 entre les aubes et le rotor du
dispositif et on la divise, d'une part, en une fraction de matières fines, de
dimensions de particules inférieures à une granulométrie déterminée,
entraînées par ledit flux gazeux rentrant au travers du rotor vers la sortie,
notamment supérieure, du dispositif, et d'autre part, en une fraction de
matières grossières, de dimensions de particules supérieures à ladite
granulométrie déterminée, rejetées par le rotor cylindrique et chutant dans
lesdits moyens de collecte du dispositif.
Selon le procédé de l'invention, on détermine la vitesse
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moyenne d'air de fluidisation dans une section horizontale du lit fluidisé
inférieure à 1 m/s et de telle façon à minimiser dans les rejets le taux des
particules inférieures à ladite granulométrie déterminée.
Naturellement, d'autres modes de réalisation auraient pu être
mis en oeuvre sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les
revendications ci-après.