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MELANGEUR STATIQUE RESISTANT A LA CHALEUR, LA CORROSION ET LA
DISSOLUTION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine technique général des mélangeurs ou
disperseurs statiques destinés au mélange de produits fluides.
On entend, dans le cadre de la présente invention, par produit fluide , un
produit
poudreux, liquide ou visqueux, éventuellement susceptible de contenir des
éléments
solides en morceaux.
Un tel mélangeur peut être utilisé dans de nombreuses applications nécessitant
le
mélange d'au moins deux produits, notamment dans les domaines de l'industrie
alimentaire, de la métallurgie, de l'industrie pharmaceutique, de la
pétrochimie, du
traitement de l'eau, du refroidissement, du nucléaire, etc.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
On connaît différents dispositifs pour mélanger deux (ou plus de deux)
constituants
ensemble afin de former un mélange.
Ces dispositifs sont basés sur les effets perturbateurs de la présence d'un
obstacle sur
le passage des constituants à mélanger. Ces effets peuvent consister :
- soit en fractionnements successifs de la veine en filets séparés,
- soit en une déviation des filets dans une direction non axiale,
- soit dans l'introduction d'une rotation des fluides,
- soit dans la création de turbulences par effet de sillage ou par écart de
vitesse
entre filets connexes.
En référence à la figure 1, on a illustré un exemple de mélangeur permettant
de
transformer des flux de fluide hétérogènes en un flux de fluide homogène. Ce
mélangeur comprend un tube 1 dans lequel circulent les fluides à mélanger. Une
succession de pales hélicoïdales 2a, 2b, 2c, 2d s'étend à l'intérieur du tube
1, chaque
pale hélicoïdale 2b, 2d étant décalée angulairement des pales hélicoïdales
adjacentes
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2a, 2b selon l'axe A-A' du tube 2 de sorte à fractionner les flux de fluides
en filets
séparés afin de faciliter leur mélange.
Cependant, un tel mélangeur présente des inconvénients :
- la succession de pales hélicoïdales 2a-2d constitue une forme complexe
chère à
réaliser, et dont l'insertion dans le tube 1 est difficile à réaliser,
- cette forme complexe nécessite souvent l'utilisation de matériaux
plastiques ou
métalliques susceptibles de réagir avec les constituants des flux à mélanger,
- son encombrement est important, notamment longitudinalement,
- les orifices d'entrée de fluides à mélanger et l'orifice de sortie du fluide
mélangé
sont localisés au niveau des extrémités opposées du tube 1, ce qui, outre les
problèmes d'encombrement, peut poser des problèmes d'homogénéité et de
fuites, notamment en cas d'utilisation d'un tel mélangeur directement sur un
bain,
- il est peu résistant aux températures extrêmes, notamment chaudes, qui
ont
tendance à fondre la succession de pales hélicoïdales.
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif mélangeur
permettant de
pallier au moins l'un des inconvénients précités.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention propose un dispositif mélangeur comprenant un
logement
tubulaire, le logement incluant au moins :
- au moins un orifice d'entrée pour l'introduction de constituants à
mélanger, et
- au moins un orifice de sortie pour la récupération d'un produit mélangé
composé
desdits constituants,
remarquable en ce que le logement comprend en outre au moins des première et
deuxième cellules de mélange adjacentes, la deuxième cellule s'étendant sur la
première cellule, chacune des première et deuxième cellules incluant une
ouverture
d'entrée de fluide et une ouverture de sortie de fluide ménagées sur des
parois
opposées, l'ouverture d'entrée étant décalée de l'ouverture de sortie de sorte
que l'axe
de l'ouverture d'entrée est parallèle à l'axe de l'ouverture de sortie,
l'ouverture de sortie
de la première cellule étant connectée à l'ouverture d'entrée de la deuxième
cellule par
l'intermédiaire d'un canal de connexion.
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Le fait que les ouvertures d'entrée et de sortie de chaque cellule soient
décalées permet
de maximiser le chemin de circulation des constituants à l'intérieur de chaque
cellule.
Par ailleurs, le fait que les cellules soient successivement raccordées entre
elles permet
de maximiser le chemin de circulation à travers l'ensemble du logement.
Grâce à cette circulation à travers les différentes cellules du logement, les
premier et
deuxième constituants introduits dans le logement se mélangent pour former un
produit
mélangé. Celui-ci est extrait du dispositif mélangeur via l'orifice de sortie.
Le lecteur
appréciera que le nombre de cellules contenues dans le logement, et/ou leurs
dimensions et/ou le matériau constituant chaque cellule dépend(ent) de
l'application
visée, de l'homogénéité désirée pour le produit mélangé, et des
caractéristiques
(solubilité, viscosité, etc.) des constituants à mélanger.
Dans la suite, il sera entendu que lorsqu'une cellule de mélange est
mentionnée comme
étant sur une autre cellule de mélange, celle-ci peut être :
- directement sur l'autre cellule, ou être
- au-dessus de l'autre cellule et séparée de ladite autre cellule par un
(ou
plusieurs) élément(s), tel(s) qu'une couche de matériau isolant (thermiquement
et/ou électriquement et/ou chimiquement) ou une cellule de mélange
intermédiaire.
Il sera également entendu que lorsqu'une cellule est mentionnée comme étant
sur
une autre cellule, la cellule peut recouvrir toute la surface de l'autre
cellule ou une
portion de ladite autre cellule.
Des aspects préférés mais non limitatifs du dispositif mélangeur selon
l'invention sont
les suivants :
- le logement peut être cylindrique et comporter des parois interne et
externe
tubulaires coaxiales définissant un espace destiné à recevoir les cellules de
mélange ;
Ceci permet de définir un canal central pour le passage d'éléments techniques
annexes éventuellement nécessaires en fonction de l'application visée (câble
électrique, résistance chauffante, fluide de refroidissement, évacuation du
fluide
mélangé, mise en place d'un élément rotatif (par exemple incluant au moins une
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pale), etc.), ou encore pour faciliter l'évacuation des gaz éventuellement
générés
lors du mélange des premier et deuxième constituants,
- chaque cellule de mélange peut être de forme cylindrique et s'étendre
entre les
parois interne et externe du logement ;
Ceci permet de favoriser les mouvements de convexion de fluide dans chaque
cellule de sorte à homogénéiser le mélange des premier et deuxième
constituants,
- au moins une des cellules de mélange peut comprendre des ouvertures
d'entrée
et de sortie de fluide diamétralement opposées ;
Ceci permet de maximiser la longueur du chemin de circulation dans la cellule
de
mélange,
- le dispositif mélangeur peut comprendre une pluralité de cellules de
mélange
superposées, les cellules superposées étant disposées de sorte que la sortie
de chaque cellule supérieure s'étende au droit de l'entrée de la cellule
inférieure
sur laquelle elle est posée ;
Ceci permet de limiter l'encombrement du dispositif mélangeur tout en
maximisant
la longueur du chemin de circulation des fluides à travers l'ensemble du
logement,
- la pluralité de cellules de mélange peut comprendre :
o une cellule initiale dans laquelle les constituants à mélanger sont
introduits, et
o une cellule finale par laquelle le produit mélangé s'évacue,
la paroi externe du logement comprenant un fond pour la récupération du
produit mélangé s'évacuant de la cellule finale ;
Ceci permet le stockage du produit mélangé préalablement à son extraction du
dispositif de mélange,
- la paroi interne du logement définit un canal d'évacuation du produit
mélangé, le
dispositif mélangeur comprenant une buse d'aspiration destinée à être disposée
dans le canal d'évacuation pour l'extraction du produit mélangé ;
Ceci permet d'agencer les orifices d'entrée et de sortie à une même extrémité
du
dispositif mélangeur sans augmenter l'encombrement global du dispositif
mélangeur,
- le logement peut s'étendre longitudinalement, les orifices d'entrée et de
sortie
s'étendant à une même extrémité du logement ;
- au moins l'une des cellules peut comprendre un élément formant obstacle,
tel
qu'une bille sur le chemin de circulation des premier et deuxième constituants
;
Ceci permet une meilleure homogénéisation des premier et deuxième
constituants,
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- le dispositif mélangeur peut comprendre :
o une première enveloppe tubulaire incluant un fond,
o une deuxième enveloppe tubulaire de diamètre extérieur inférieur au
diamètre intérieur de la première enveloppe,
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la deuxième enveloppe incluant des couronnes circulaires sur sa face externe
ayant chacune au moins une lumière traversante, lesdites couronnes
s'étendant radialement en saillie vers l'extérieur de la deuxième enveloppe,
le
diamètre des couronnes étant sensiblement égal au diamètre intérieur de la
première enveloppe,
la deuxième enveloppe étant destinée à être insérée dans la première
enveloppe de sorte que les première et deuxième enveloppes s'étendent
coaxialement, les couronnes définissant avec la face interne de la première
enveloppe les cellules de mélange du dispositif mélangeur.
Ceci permet de simplifier la fabrication du dispositif mélangeur puisque les
première et deuxième enveloppes constituent des pièces simples d'usinage
pouvant
être réalisées dans des matériaux cassants et peut élastiques résistants à la
corrosion
et aux fortes températures.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres avantages et caractéristiques du dispositif mélangeur selon
l'invention
ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes
d'exécution,
données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur
lesquels :
- La figure 1 est une représentation d'un dispositif mélangeur de l'art
antérieur,
- La figure 2 est une représentation schématique fonctionnelle d'un dispositif
mélangeur selon l'invention,
- La figure 3 est une représentation en perspective d'une variante de
réalisation
d'un logement du dispositif mélangeur selon l'invention,
- La figure 4 est une représentation schématique en perspective d'un
exemple de
cellule du dispositif mélangeur selon l'invention,
- La figure 5 est une représentation schématique en coupe transversale du
dispositif mélangeur selon l'invention,
- La figure 6 est une représentation schématique en coupe longitudinale du
dispositif mélangeur selon l'invention,
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- La figure 7 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un exemple de
réalisation du dispositif mélangeur.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On va maintenant décrire plus en détail le dispositif mélangeur selon
l'invention en
référence aux figures. Dans ces différentes figures, les éléments équivalents
portent la
même référence numérique.
1. Dispositif Mélangeur
1.1. Généralités
En référence à la figure 2, le dispositif mélangeur comprend un logement 3 et
une
pluralité de cellules Cl-CN empilées dans le logement. Un tel dispositif
mélangeur ¨ dit
mélangeur statique ¨ permet de mixer deux (ou plus de deux) constituants
fluides.
Le logement comprend un (ou plusieurs) orifice(s) d'entrée pour l'admission de
constituants à mélanger. Par exemple, dans certains modes de réalisation, le
logement
comprend un unique orifice d'entrée pour l'admission d'un fluide hétérogène
composé
de deux (ou plus de deux) constituants à mélanger (i.e. admission simultanée
de
plusieurs constituants à mélanger via un orifice d'entrée unique).
En variante et comme illustré à la figure 2, le logement peut comprendre un
premier
orifice d'entrée El pour l'admission d'un premier constituant fluide, et un
deuxième
orifice d'entrée E2 pour l'admission d'un deuxième constituant fluide. Bien
entendu, le
lecteur appréciera qu'en fonction de l'application visée, le logement peut
comprendre plus de deux orifices d'entrée (notamment trois, quatre, cinq,
etc.) pour
l'admission de plus de deux constituants fluides à mélanger.
Le logement 3 comprend également un (ou plusieurs) orifice(s) de sortie S pour
l'évacuation du produit mélangé obtenu à partir des premier et deuxième
constituants
fluides.
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Les premier et deuxième constituants fluides peuvent consister en des
matériaux
différents, ou des matériaux identiques ayant des caractéristiques
(concentration,
viscosité, etc.) différentes.
Chaque cellule C1-CN définit une chambre de circulation des constituants
fluides à
mélanger entre eux. Comme illustré à la figure 2, les cellules C1-CN
communiquent entre
elles pour former un chemin de circulation des constituants fluides à
mélanger.
1.2. Logement
Une variante de réalisation du logement 3 est illustrée à la figure 3. Dans
cette variante
de réalisation, le logement 3 présente une forme globale cylindrique d'axe
longitudinal
A-A'. Bien entendu, le logement 3 peut présenter d'autres formes telles qu'une
forme
parallélépipédique, ovoïde, etc.
En référence à la figure 3, le logement 3 comprend
- un fond 31 circulaire,
- une paroi latérale externe 32 ayant un bord 32' fixé au fond 31,
- une paroi latérale interne 33 (coaxiale à la paroi latérale externe 32), et
- une paroi supérieure 34 annulaire s'étendant entre les bords 32", 33" des
parois
latérales interne et externe 32, 33 opposées au fond 31.
Comme décrit précédemment, le logement 3 comprend des premier et deuxième
orifices
d'entrée El, E2 pour l'introduction des constituants fluides à mélanger. Ces
orifices
d'entrée El, E2 peuvent être positionnés adjacents, et s'étendre dans la paroi
supérieure 34 annulaire. En variante, les orifices d'entrée Fi, E2 peuvent
être
diamétralement opposés et/ou s'étendre dans la paroi latérale externe 32.
Le logement 3 comprend également un orifice de sortie pour l'évacuation du
produit
mélangé. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, cet orifice de
sortie consiste
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en un interstice séparant le fond 31 et un bord libre 33' de la paroi latérale
interne 33
(bord opposé à la paroi supérieur 34 annulaire). Plus précisément, le bord
libre 33' de la
paroi latérale interne 33 est éloigné d'une distance d du fond 31.
Le logement est configuré pour recevoir des cellules. Plus précisément, les
parois du
logement définissent un espace de réception d'une pluralité de cellules C1-CN
empilées.
Ainsi, la forme du logement détermine la forme des cellules qu'il contient.
Par exemple,
si le logement présente une forme ovale en section transversale, alors les
cellules
présentent également une forme ovale en section transversale.
Dans la suite, on décrira les cellules en référence à un logement cylindrique,
étant
entendu que les cellules peuvent présenter d'autres formes.
1.3. Cellule
1.3.1. Cellules intermédiaires
En référence à la figure 4, chaque cellule C comprend :
-
une cloison inférieure 41¨ notamment annulaire ¨ incluant des
bords
périphériques interne et externe,
- une cloison supérieure 42 ¨ notamment annulaire ¨ incluant des bords
périphériques interne et externe,
- une cloison latérale interne 43 entre les bords périphériques internes
des cloisons
inférieure 41 et supérieure 42
- une cloison latérale externe 44 entre les bords périphériques externes des
cloisons inférieure 41 et supérieure 42.
Les cloisons 41-44 de la cellule C définissent une chambre pour la circulation
des
constituants fluides à mélanger. La cloison latérale interne 43 de chaque
cellule C
constitue un obstacle que les constituants fluides doivent contourner lors de
leur
circulation à travers la chambre de la cellule C. L'écoulement (ou flux)
principal Fp des
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constituants fluides se subdivise, chaque subdivision formant un flux
secondaire
circulaire Fs qui se recombine avec l'écoulement principal Fp, puis se
subdivise à
nouveau et ainsi de suite. Cette succession de subdivisions et de
recombinaisons des
flux secondaires Fs avec l'écoulement principal Fp favorise le mixage des
constituants à
mélanger.
Chaque cellule C comprend de plus :
- une ouverture d'entrée 45 pour l'introduction des premier et deuxième
constituants à mélanger, et
- une ouverture de sortie 46 pour l'évacuation des premier et deuxième
constituants après leur circulation à travers la chambre délimitée par les
cloisons 41-44 de la cellule C.
Avantageusement, l'ouverture d'entrée 45 peut être ménagée dans la cloison
supérieure
42, et l'ouverture de sortie 46 dans la cloison inférieure 41. Ceci permet une
circulation
des premier et deuxième constituants à mélanger par gravité.
Les dimensions de la chambre de circulation définie entre les cloisons de la
cellule sont
prévues pour favoriser le mélange des constituants lors de la traversée de la
cellule par
ceux-ci. Notamment :
- la distance séparant les cloisons latérales interne et externe peut être
comprise
entre 1 millimètre et 10 centimètres, et
- la distance séparant les cloisons supérieure et inférieure peut être
comprise entre
1 millimètre et 10 centimètres.
Par exemple, dans le cas d'un débit d'entrée des constituants à mélanger de
l'ordre de
3 cm3/seconde :
- la distance séparant les cloisons latérales peut être choisie comprise
entre 2-3
millimètres, et
- la distance séparant les cloisons supérieure et inférieure peut être choisie
égale à
1 millimètre.
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Bien entendu, la sélection des dimensions de la chambre de circulation définie
par
chaque cellule dépend de l'application visée, et notamment du type de
constituants à
mélanger, de leurs viscosités respectives, etc. En particulier, le lecteur
appréciera que
5 les dimensions de la chambre de circulation définie par chaque cellule
peuvent être
supérieure au centimètre (par exemple de l'ordre de grandeur du mètre pour un
débit
d'entrée de l'ordre du dm3/sec, etc.).
Pour favoriser le mélange des premier et deuxième constituants, une (ou
plusieurs ou
10 chaque) cellule(s) peut (peuvent) comprendre un (ou plusieurs)
élément(s) formant
obstacle, tel qu'une bille positionnée sur le chemin de circulation des
premier et
deuxième constituants. Ce(s) élément(s) formant obstacle permet(tent) de
perturber
l'écoulement (ou flux) principal afin de favoriser sa subdivision en une
pluralités de flux
secondaires se recombinant avec l'écoulement principal pour induire un mixage
des
constituants à mélanger.
Les cellules ainsi décrites sont destinées à être empilées les unes sur les
autres dans le
logement 3. Elles sont disposées entre :
- une cellule initiale raccordée aux premier et deuxième orifices d'entrée
El, E2 du
logement,
- une cellule finale raccordée à l'orifice de sortie du logement.
1.3.2. Cellules initiale et finale
La cellule initiale du dispositif mélangeur comprend des cloisons latérales
interne et
externe ainsi que des cloisons supérieure et inférieure. Elle comprend
également :
- des première et deuxième cavités traversantes d'introduction raccordées
aux (ou
confondues avec les) premier et deuxième orifices d'entrée El, E2 du logement
pour l'introduction des premier et deuxième constituants à mélanger, et
- une cavité traversante de sortie raccordée à (ou confondue avec) l'ouverture
d'entrée 45 d'une cellule intermédiaire.
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La cellule finale du dispositif mélangeur comprend également des cloisons
latérales
interne et externe ainsi que des cloisons supérieure et inférieure. Elle
comprend de
plus :
- un trou d'entrée raccordé à (ou confondu avec) l'ouverture de sortie 46
d'une
cellule intermédiaire, et
- un trou de sortie raccordé à (ou confondu avec) l'orifice de sortie du
logement 3.
On va maintenant décrire plus en détail le principe de fonctionnement du
dispositif
mélangeur en référence à la figure 6.
2. Principe de fonctionnement
Dans une première étape, les premier et deuxième constituants à mélanger sont
injectés simultanément dans le dispositif au niveau des orifices d'entrée El,
E2 du
logement 3. L'injection des deux constituants se fait de préférence avec des
débits qui
restent dans un rapport constant entre eux du débit minimum au débit maximum.
Les premier et deuxième constituants pénètrent dans la cellule initiale 4, et
se séparent
en des premier et deuxième flux principaux s'écoulant autour de la cloison
interne de la
cellule initiale 4.
Au fur et à mesure de leur écoulement vers la cavité traversante de sortie de
la cellule
initiale 4, chacun des premier et deuxième flux principaux se subdivisent en
flux
secondaires circulaires qui rejoignent le flux principal auxquels ils sont
associés en
suivant un mouvement de convection (cf. figure 5). Ceci favorise le mixage des
premier
et deuxième constituants entre eux.
Un fois la cavité traversante de sortie atteinte, les premier et deuxième flux
principaux
se rejoignent, ce qui favorise encore le mixage des premier et deuxième
constituants à
mélanger.
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Les premier et deuxième constituants pénètrent alors successivement dans une
pluralité
de cellules intermédiaires empilées 2, 3. A la traversée de chaque cellule
intermédiaire
2, 3, il se forme des couches superposées de produits et le mouvement
hélicoïdal des
flux fait glisser ces couches les unes par rapport aux autres, ce qui favorise
leur
mélange.
Le mélange définitif s'obtient en sortie de la cellule finale 5 raccordée à
l'orifice de sortie
du logement qui joue le rôle de concentrateur. Le mélange définitif peut alors
être extrait
du dispositif, par exemple par aspiration.
3. Exemple de réalisation
En référence à la figure 7, on a illustré un exemple de réalisation du
dispositif mélangeur
décrit précédemment.
Dans ce mode de réalisation, les parois du logement sont confondues avec les
cloisons
internes et externes des cellules.
Plus précisément, le dispositif mélangeur comprend des première et deuxième
enveloppes tubulaires :
- la première enveloppe tubulaire 14 incluant un fond 141,
- la deuxième enveloppe tubulaire 15¨ de diamètre extérieur inférieur au
diamètre
intérieur de la première enveloppe 14 ¨ comporte des couronnes circulaires 151
s'étendant en saillie radiale vers l'extérieur.
Chaque couronne constitue une cloison supérieure ou inférieure d'une cellule
respective. Chaque couronne comprend une (ou plusieurs) lumière(s)
traversante(s)
définissant :
- une ouverture de sortie pour une cellule amont (i.e. cellule positionnée sur
une
autre cellule), et
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- une ouverture d'entrée pour une cellule avale (i.e. cellule positionnée sous
une
autre cellule).
Comme illustré à la figure 7, la deuxième enveloppe 15 est destinée à être
insérée dans
la première enveloppe 14 de sorte que les première et deuxième enveloppes 14,
15
s'étendent coaxialement, les couronnes 151 définissant, avec les première et
deuxième
enveloppes 14, 15, les cellules de mélange 2, 3.
4. Conclusions
Le dispositif mélangeur décrit précédemment permet de produire de façon
industrielle et
flexible du métal faiblement allié, sans mélanger un bain entier, ce qui
permet d'éviter de
longues et difficiles opérations de nettoyage entre bains, et permet de
produire
différents métaux dans un même bain de fusion.
Bien entendu, le dispositif mélangeur peut être utilisé pour d'autres
applications que le
mélange de différents métaux pour former un alliage.
Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées
au
mélangeur décrit précédemment sans sortir matériellement des nouveaux
enseignements et des avantages décrits ici.
Par exemple dans la description qui précède, les cellules et le logement
étaient décrits
comme étant de forme générale cylindrique. Il est bien évident pour l'homme du
métier
que les cellules et/ou le logement peuvent présenter d'autres formes telles
que des
formes parallélépipédiques, ovoïde, etc.
Par ailleurs, le lecteur aura compris de l'exemple décrit au point 3 que les
parois
constituant les cellules et le logement peuvent être partiellement confondues,
notamment en ce qui concerne les parois/cloisons interne et externe.
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Ainsi, les cellules et le logement peuvent consister :
- en des éléments physiques distincts assemblés pour former le dispositif
mélangeur selon l'invention, chaque élément physique correspondant soit à une
cellule, soit au logement,
- en des pièces de formes complémentaires destinées à coopérer pour définir
les
parois du logement et les cloisons des cellules, chaque pièce définissant une
portion de cellule(s), et/ou une portion de logement (cf. exemple de
réalisation
illustré au point 3), ou
- en une pièce unique composée de multiples pans définissant les parois du
logement et les cloisons des cellules.
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