Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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1
La présente invention concerne un séparateur cyclonique à co-courant. Cot
équipement de
génie chimique est un appareil permettant la séparation d'une phase dense D1
contenue dans
un mélange M1 contenant ladite phase dense D1 et une phase légère I_i.
La présente invention concerne ëgalement l'utilisation de ce séparateur
cyclonique amëlioré à
la séparation rapide d'une phase dense D1 et d'une phase diluée L1 à partir de
Leur mélange
M1.
On connait selon l'art antérieur plusieurs types de cyclone dont les
performances sont
1 0 habituellement évaluées à partir de l'efficacité de la collecte de ia
phase dense D1 et de la perte
de charge de la phase légère Li dans le séparateur cyclonique (dénommé ci-
aprés l'appareil).
Dans la plus grande majorité des cas les appareils de ce type sont conçus en
cherchant à
obtenir ta plus grande efficacité possible pour la collecte de la phase dense
D1 tout erg limitant
le plus possible la perla de charge de la phase légère L1.
Un premier type de cyclone est le cyclone à rebours dahs lequel le mélange M1,
contenant les
phases D1 et L1, pénètre tangentiellement dans l'enceinte du cyclone, à
proximité immédiate
de son sommet, ce qui induit, au moins pour la phase légère Li, un vortex et
la force centrifuge
qui en découle permet de faire migrer la phase dense Di à la paroi de
l'enceinte où elle
2 0 progresse en spirale (selon un mouvement hélicoïdal) vers le fond du
séparateur où ellé est
habituellement recueillie ou évacuée par un cône collecteur au niveau duquel
(e vortex de la
phase légère se retourne. La phase légère L1 ayant changé de direction sort à
contre courant
de ta phase dense D1 vers l'extrémité du séparateur où est placée l'entrée du
mélange M1.
2 5 Un deuxième type de cyclone est le cyclone à co-courant dans lequel le
mélange M1,
contenant les phases D7 et L1; pénètre axialement ou tangentiellement. Dans le
cas d'une
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Z
entrée axiale, le vortex est habituellement initié à l'aido de pales an forma
d'hélice. Dans ce type
de cyclone la sertie de ia phase légère L1 et la sortie de la phase dense D1
sont situées à
proximité de ta même extrémité du cyclone qui est l'extrémité opposée à celle
par laquelle le
mélange M1 est introduit dans l'appareil. On aura donc une sortie dite sortie
interne ou
intérieure par laquelle on évacue la phase légère Li et une sortie dite sortie
externe ou
extérieure par laquelle on évacue la phase dense D1.
Pour certaines applications, comme par exempte dans le cas du procédé dénommé
ultra-
pyrolyse, décrit par exemple par Graham et al, Worid Fluidisation Conference,
Mai 1986, ,
1 0 Elsinore Danemark, qui est un procédé de craquage â haute température, à
l'état fluidisé et
avec des temps de séjour du gaz dans le réacteur inférieur à la seconde, ü est
nécessaire
d'utiliser un séparateur très rapide. Dans ce procédé la réaction chimique de
craquage
thermique est initiée par des solides caloporteurs et a lieu dans un réacteur
à écoulement
piston. Le temps de la réaction est très court, habituellement d'environ 100 à
environ 900
1 S mülisecondes (ms), et il est important, pour avoir une bonne efficacité
thermique dans le
procédé, de séparer très rapidement les solides et les gaz avant d'effectuer
une trempe rapide
des produits gazeux. Le temps de séjour dans le séparateur doit étre aussi
court que possible
et de plus la distribution des temps de séjour doit être la ptus étroite
possible afin de limiter au
maximum les réactions de craquage secondaires conduisant à la dégradation de
produits
2 0 valorisables.
Du fait de son principe même, basé sur le retournement de la phase gazeuse, ü
n'est guère
possible de modifier la géométrie d'un cyclone à rebours afin de limiter le
temps de séjour de la
phase légère Li dans l'appareil. La longueur (Lc) de l'appareil est en effet
imposée par la
2 5 longueur naturelle du vortex (Lv) comme cela est par exemple décrit par R.
M. Alexander dans
Fundamentais of cyclone design and operation, Proc. Aus. LM.M., 1949, pages
203-228, ou
~~;?~~,~~~
d ii .x ~ z _I; a
3
par S. E3ryant et al, Nydrocarbon processing, 1~8~, pages 87-90. Cette
longueur (Lv) est
habituellement de l'ordre do 3 à 4 fois le diarnètre (Dc) de l'appareil. Si on
réduit la longueur de
Pappareil alors le vortex va s'appuyer sur le cône de sortie de la phase dense
D1 provoquant le
réentraînement de la phase légère par la phase dense circulant en spirale vers
sa sortie. Si on
augmente la vitesse d'entrée du mélange M1 on augmente simultanément l'érosion
au niveau
de l'entrée tangentielle ce qui n'est pas souhaitable industriellement.
Dans un cyclone à co-courant les phases denses et légères circulent dans la
mëme direction.
La phase dense est évacuée à travers un conduit externe et la phase légère à
travers un
1 0 conduit interne dont l'entrée dite entrée interne est située à une
distance (Ls) qui peut ëtre très
inférieure à la longueur (Lc) du cylone à rebours. Cette entrée interne peut
être très proche de
l'entrée du mélange M1, mais plus elle sera proche plus la phase légère aura
tendance à circuler
dans la sortie externe, autour du conduit interne, avant de ressortir sous
l'influence du
mouvement hélicoïdal des phases composant le mélange. Par ailleurs, plus
l'entrée interne est
I 5 proche de I°entrée du mélange M1, plus la collecte de la phase
dense D1 sera soumise à
l'influence des turbulences existantes au niveau de l'entrée de ce mëtange.
Par exemple, dans
le cas d'une entrée tangentielle classique à Boit plat, l'écoulement des
phases dans l'entrée est
altéré par des interférences et des turbulences qui projettent une partie de
la phase dense
dans la partie centrale de l'appareil, ce qui provoque une diminution d'autant
plus sensible, de
2 0 (efficacité de la collecte de la phase dense D1, que 6'entrëe interne de
la phase légère L1 est
proche de l'entrée tangentielle du mélange M1.
Dans ce type de cyclone à co-courant on peut, contrairement au cas des
cyclones à rebours, en
planant l'entrée interne de la phase légère assez près de (entrée (à une
distance inférieure à la
2 5 longueur (Lc) du cyclone à rebours) du mélange Mi, et en contrôlant la
circulation de la phase
légère dans l'entrée interne et l'écoulement dans ('entrée du mélange M1,
obtenir une
~~rc~;'~,~:r
séparation rapide des phases tout en conservant une bonne efficacité do la
collecte de la
phase dense D1 et en ayant une distribution de temps de séjour de la phase
légère
acceptable.
La présente invention concerne un séparateur cyclonique à co-courant
permettant d'effectuer
très rapidement la séparation d'une phase dense D1 et d'une phase Digère L1 à
partir de leur
mélange M1, avec une très bonne efficacité de collecte de la phase dense D1 et
une
distribution des temps de séjour de la phase légère L1 dans (appareil plus
étroite que dans les
cyclones de l'art antérieur. Le volume utile à la séparation pourra ëtre, dans
l'appareil de
l D (invention, plus faible pue dans les cyclones de l'art antérieur, et par
conséquent la sëparation à
débit de phase légère constant pourra ëtre plus rapide.
De façon pluà précise la présente invention concerne un séparateur cyclonique
è co-courant
comportant en combinaison
- au moins une enceinte extérieure, de forme allongée le long d'un axe, de
section
sensiblement circulaire de diamètre (Dc), comprenant à une première extrémité
des mayens
d'introdution permettant d'introduire, par une entre dite entrée externe, un
mélange Mi
contenant au moins une phase dense D1 et une phase légère L9, lesdits moyens
étant
2 0 adaptés à conférer au moins à la phase légère L1 un mouvement hélicoïdal
dans la direction de
l'écoulement dudit mélange M1 dans ladite enceinte extérieure, comprenant
également des
moyens de séparation des phases D1 et L1 et à l'extrémité opposée à ladite
première extrémité
des moyens de récupération permettant de récupérer, par une sortie comportant
un conduit
latéral ou axial, dite sortie externe, au moins une parue de la phase dense
D1, et ayant entre
2 5 lesdites extrémités opposées une longueur L,
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- au moins une enceinte intérieure de forme allongée le long d'un axe, de
section sensiblement
circulaire, disposée coaxialement par rapport à ladite enceinte extérieure,
comprenant à une
distance Ls, inférieure à L, du niveau extrême de l'entrée externe, une entrée
dite entrée
interne; de diamètre (Di) inférieur à (Dc), dans laquelle pénètre au moins une
partie de la phase
5 légère L1 et à son extrémité opposée des moyens de récupération permettant
de récupérer,
par un conduit dit conduit interne, respectivement axial si le condurt de la
sortie externe est
latéral, ou latéral si le conduit de la sortie externe est axial, ladite
partie de la phase légère L1,
caractérisé en ce qu'il comporte en aval, dans le sens de circulation de la
phase dense D1, du
1 0 niveau de l'entrée interne de l'enceinte intérieure, des moyens limitant
la progression de la
phase légère L1 à l'extérieur de ladite enceinte intérieure, lesdits moyens
étant des pales
sensiblement planes dont le plan passe par un axe sensiblement vertical.
L'invention sera mieux comprise par la description de quelques modes de
réalisation, donnés à
1 5 titre purement illustratif mais nullement limitatif, qui en sera faite ci-
après à l'aide des figures 1 A,
1 B, 2, 3, 4 et 5 annexées, sur lesquelles les organes similaires sont
désignés par les mêmes
chiffres et lettres de référence.
La figure 1A est une vue en perspective d'un appareil selon l'invention.
La figure 1B est une vue en perspective d'un appareil selon l'invention qui ne
diffère de celui
représenté sur la figure 1A que par les moyens de récupération de la phase
dense D1 et de la
phase légère L1. Ces moyens permettent dans le cas de l'appareil schématisé
sur la figure 1B
une récupération par un conduit latéral de la phase dense D1 et une
récupération par un
2 5 conduit axial de la phase légère L1 et dans celui schématisé sur la figure
lA une récupération
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6
par un conduit axial de la phase dense D1 et une récupération par un conduit
latéral de la phase
légère L1.
La figure 2 est une vue en coupe d'un appareil selon l'invention pratiquement
identique à celui
représenté sur la figure 1B mais comportant des moyens (6), limitant la
progression de la phase
légère L1 à l'extérieur de l'enceinte intérieure, dont la dimension dans la
direction
perpendiculaire à l'axe de l'enceinte extérieure est inférieure à la dimension
de la sortie externe
(5).
1 0 Les appareils selon l'invention, schématisés sur les figures 1 B et 2, de
formes allongées,
sensiblement régulières, comportent une enceinte extérieure, ayant un axe
(AA') qui est un
axe de symétrie, sensiblement verticale, de diamètre (Dc) et de longueur (L)
entre le niveau
extrême de l'entrée tangentielle (1), dite entrée externe, et les moyens (7)
de sortie de la phase
dense D1. Le mélange M1 contenant au moins une phase dense D1 et au moins une
phase
1 5 légère L1 est introduit par l'entrée tangentielle (1) suivant une
direction sensiblement
perpendiculaire à l'axe de l'enceinte extérieure. Cette entrée tangentielle a
de préférence une
section rectangulaire ou carrée dont le côté parallèle à l'axe de l'enceinte
extérieure a une
dimension (Lk) habituellement d'environ 0,25 à environ 1 fois le diamètre
(Dc), et le côté
perpendiculaire à l'axe de l'enceinte extérieure a une dimension (hk)
habituellement d'environ
2 0 0,05 à environ 0,5 fois le diamètre (Dc).
Ces appareils comportent une enceinte intérieure de forme allongée te long
d'un axe, de
section sensiblement verticale et circulaire, disposée coaxialement par
rapport à ladite enceinte
extérieure, comprenant à une distance (Ls), inférieure à (L), du niveau
extrême de l'entrée
2 5 externe (1), une entrée (3) dite entrée interne, de diamètre (Di)
inférieur à (Dc). Le diamètre de
cette entrée interne (3) est habituellement d'environ 0,2 à environ 0,9 fois
le diamètre (Dc), le
~a $I~ ~:,t ~:~ .
7
plus souvent d'environ 0,4 à erwiron 0,8 fois le diamètre (Dc) et de
préférence d'environ 0,4 à
environ 0,6 fois le diamètre (Dc). Cette distance (Ls) est habituellement
d'environ 0,2 à environ
g,5 fois le diamètre (De) et le plus souvent d'environ 0,5 à environ 2 fois le
diamètre (Dc). Une
distance relativement courte comprise entre 0,5 et 2 fois le diamètre (Dc)
permet
habituellement une séparation très rapide tout on conservant uns bonne
efficacité de
séparation.
Les appareils comportent ëgalement en aval, dans le sens de circulation de la
phase dense Di,
du niveau de !'entrée interne (3), des moyens (6) limitant la progression de
la phase légère L1
I 0 dans l'espace situé entre ta paroi interne de l'enceinte extérieure et la
paroi externe de
l'enceinte intérieure ou sortie externe (5). Ces moyens (6) sont
habituellement positionnés à
l'intérieur de l'enceinte extérieure et l'extérieur de l'enceinte intérieurs
(entre la paroi externe
de l'enceinte intérieure et la paroi interne de l'enceinte extérieure), entre
le niveau de l'entrée
interne (3) et les moyens (7) de récupérations de la phase dense D1. Ces
moyens (6) sont de
I S préférence des pales sensiblement planes dont le plan passe par un axe
sensiblement vertical
et sont habituellement fixées sur au moins une paroi de l'une des enceintes
intérieure ou
extérieure. Ces moyens sont de préférence fixés â la paroi de D'enceinte
intérieure de sorte que
la distance (Lp) entre l'entrée interne et le point desdites pales te plus
proche de cette entrée
interne soit d'environ 0 é environ 5 fois le diamètre (Dc) et de préférence
d'environ 0,1 é
2 0 environ 1 fois ce diamétre (Dc).
Le nombre de pales est variable suivant la distribution du temps de séjour que
l'on accepte
pour la phase Li et également en fonction du diamétre (Dc) de l'enceinte
extérieure. Le
nombre de pale est habituellement d'au moins 2 et par exemple de 2 à 50 et la
plus souvent de
2 5 3 à 50. Les pales permettent une limitation de ta continuation du vortex
sur toute la section du
cyclone, dans la sortie externe (5), autour du conduit formant l'enceinte
intérieure et reliant
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8
l'entrée interne (3) à la sortie interne (4) de la phase légère, et donc une
diminution et un
contrôle de la distribution des temps de séjour de cette phase dans
l'appareil.
Ainsi dans le cas de l'utilisation d'un appareil selon l'invention dans la
mise en oeuvre de
réactions ultra-rapides, par exemple dans le cas de l'ultra-pyrolyse, on
limite le temps de séjour
de la phase légère L1 et la distribution de ces temps de séjour et en
conséquence on limite
ainsi la dégradation des produits contenus dans la phase légère circulant
autour de l'entrée
interne.
1 0 Chacune de ces pales a habituellement une dimension ou largeur (ep)
mesurée dans la
direction perpendiculaire à l'axe de l'enceinte intérieure (c'est-à-dire
horizontalement, à partir de
son arête la plus proche de l'axe de l'enceinte extérieure) et définie par
rapport au diamètre
intérieur (Dc) de l'enceinte extérieure et au diamètre extérieur (D'e) de
l'enceinte intérieure
d'environ 0,01 à 1 fois la valeur [((Dc)-(D'e))/2) de la demi différence de
ces diamètres (Dc) et
1 5 (D'e), de préférence d'environ 0,5 à environ 1 fois cette valeur et le
plus souvent d'environ 0,9
à environ 1 fois cette valeur.
Dans le cas d'un appareil vertical, selon l'invention, tel que par exemple
celui schématisé sur la
figure lA ayant une sortie interne (4) latérale, et lorsque les pales sont
positionnées après
2 0 cette sortie interne, cette dimension (ep) peut être d'environ 0,01 à
environ 1 fois la valeur
(Dc)/2 du demi diamètre de l'enceinte extérieure.
Ces pales ont chacune sur leur arëte, la plus proche de l'axe de l'enceinte
intérieure, dans la
direction parallèle à l'axe sensiblement vertical par lequel passe le plan de
la pale, une
2 5 dimension ou hauteur interne (hpi) et une dimension ou hauteur externe
(hpe) mesurée dans
la direction parallèle à l'axe sensiblement vertical par lequel passe le plan
de la pale, sur l'arête
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9
de ladite pale la plus proche de la paroi intErne de l'enceinte extérieure.
Ces dimensions (hpi) et
(hpe) sont habituellement supérieures à 0,1 fois le diamètre (Dc) et par
exemple d'environ 0,1
fois à environ 10 fois le diamètre (Dc) et le plus souvent d'environ 1 à
environ 4 fois ce diamètre
(Dc). De préférence ces pales ont chacune une dimension (hpi) supérieure ou
égale à leur
dimension (hpe).
Selon la réalisation schématisée sur les figures 1B et 2 l'appareil comporte,
en aval, dans le
sens de l'écoulement des diverses phases, de l'entrée interne (3), au moins un
moyen (8)
permettant l'introduction éventuelle d'une phase légère L2 en au moins un
point situé entre
1 0 l'entrée interne (3) de l'enceinte intérieure et l'extrémité du conduit
(9) de récupération de la
phase dense D1 ; ce ou ces points sont de préférence à une distance (Lz) de
l'entrée (3) de
l'enceinte intérieure. Ladite distance (Lz) a de préférence une valeur au
moins égale à la
somme des valeurs de (Lp) et (hpi) et au plus égale à la distance entre
l'entrée (3) de l'enceinte
intérieure et les moyens de sortie (7) de la phase dense D1. Cette phase
légère L2 peut étre
1 S introduite par exemple dans le cas où il est souhaitable d'effectuer un
strippage de la phase
dense D1.
Cette phase légère L2, est de préférence introduite en plusieurs points qui
sont
habituellement répartis symétriquement, dans un plan au niveau duquel
l'introduction est
2 0 effectuée, autour de l'enceinte extérieure.
Le point d'introduction de cette phase légère L2 est habituellement situé à
une distance au
moins égale à 0,1 fois le diamètre (Dc) du point desdits moyens (6) le plus
proche des moyens
(7) de sortie de la phase dense D1. Le point d'introduction de cette phase
légère L2 est de
2 5 préférence situé à proximité du conduit (9) de récupération de la phase
dense D1 et le plus
souvent à proximité des moyens de sortie (7) de la phase dense D1.
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La dimension (p') entre le niveau de l'entrée interne (3) et les moyens (7) de
sortie de la phase
dense D1 est déterminée à partir des autres dimensions des divers moyens
formant l'appareil et
de la longueur (L) de l'enceinte extérieure mesurée entre le niveau extrême de
l'entrée
5 tangentielle (1) et les moyens (7) de sortie de la phase dense D1. Cette
dimension (L) est
habituellement d'environ 1 à environ 35 fois le diamètre (Dc) de l'enceinte
extérieure et le plus
souvent d'environ 1 à 25 fois ce diamètre (Dc). On peut de même calculer la
dimension (P),
entre le point des moyens (6) le plus proche des moyens (7) de sortie de la
phase dense D1 et
lesdits moyens (7), à partir des autres dimensions des divers moyens formant
l'appareil et de la
1 0 longueur (L).
Les moyens (6) limitent la progression du vortex de la phase légère L1 dans la
sortie externe
(5). La position de ces moyens (6) et leur nombre influent donc sur les
pertormances de la
séparation des phases D1 et L1 contenues dans le mélange M1 (perte de charge
et efficacité
1 5 de la collecte des phases) et également sur la pénétration du vortex de la
phase légère L1 dans
la sortie (5). Ces paramètres seront donc choisis avec soin par l'homme du
métier en particulier
en fonction des résultats souhaités et de la perte de charge tolérée. En
particulier lorsque D1
est un solide le nombre de pales, leur forme et leur position seront choisis
avec soins en tenant
compte de leur influence sur l'écoulement du solide en liaison avec la
limitation recherchée de
2 0 la progression du vortex dans la sortie externe (5).
La figure 3 est une vue en coupe d'un appareil selon l'invention comportant
une enceinte
extérieure, de diamètre (Dc) ayant une entrée (1 ) dite entrée externe axiale,
dans laquelle on
introduit suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe (AA') de
l'enceinte extérieure le
2 5 mélange M1 contenant une phase dense D1 et une phase légère L1. Cet
appareil comporte en
outre des moyens (2) placés à l'intérieur de l'entrée (1 ) permettant de
conférer en aval, dans le
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sens de c~~c~~!~tion dudit mélange M1, un mouvement hélicoïdal ou
tourbillonnant au moins à la
phase L1 dudit mélange M1. Ces moyens sont habituellement des pales inclinées.
La longueur
L de l'appareil est comptée entre ces moyens permettant de créer un vortex, au
moins sur la
phase L1, et les moyens (7) de sortie de la phase dense D1. Toutes les autres
caractéristiques
sont identiques à celles décrites en liaison avec les appareils représentés
sur les figures 18 et
2, en particulier les diverses dimensions sont celles mentionnées dans la
description de ces
appareils. Les variantes décritent en liaison avec les appareils représentés
sur les figures 1B et
2 sont également possibles dans le cas de l'appareil selon la présente
invention schématisé sur
la figure 3. On peut en particulier envisager une sortie interne (4) latérale
et un conduit (9) de
1 0 récupération de la phase dense D1 axial comme dans le cas de la
réalisation schématisée sur la
figure 1 A.
La figure 4 est une vue en coupe d'un appareil selon l'invention de forme
allongée,
sensiblement régulière, comportant une enceinte extérieure, ayant un axe (AA')
qui est un axe
1 5 de symétrie, sensiblement horizontal de diamètre (Dc) et de longueur (L)
entre le niveau
extrême de l'entrée tangentielle (1), dite entrée externe, et les moyens (7)
de sortie de la phase
dense D1. Le mélange M1 contenant au moins une phase dense D1 et au moins une
phase
légère L1 est introduit par l'entrée tangentielle (1) suivant une direction
sensiblement
perpendiculaire à l'axe de l'enceinte extérieure.
Cet appareil comporte également en aval, dans le sens de circulation de la
phase dense D1, du
niveau de l'entrée interne (3), des moyens (6) limitant la progression de la
phase légère L1, à
l'extérieur de l'enceinte intérieure, dans l'espace situé entre la paroi
interne de l'enceinte
extérieure et la paroi externe de l'enceinte intérieure ou sortie externe (5).
Ces moyens (6) sont
2 5 habituellement positionnés, en aval, dans le sens de circulation de la
phase dense D1, des
~~' >~-;~"~
,2
moyens de récupération (7) de la phase dense D1, dans le conduit (g), de
récupération de la
phase danse D1, de diamètre (Ds).
Ces moyens (8) sont habituellement das pales sensiblement planes dont le plan
passe par un
axe sensiblement vertical. La dimension (ep) de chacune de ces palus est
habituellement
d'environ 0,01 à environ 1 fois le diamètre (Ds) du conduit (J). Les pales
sant habituellement
pasitionnées de manière fi ce que l'arëte intérieure, c'est-à-dire farëte cie
la pale la plus proche
de l'axe du conduit (9), de chacune d'elles soit confondue avec Taxe dudit
conduit (9). Ces
pales sont positionnées à une distance (Lp) par rapport aux moyens (7)
d'environ 0 à environ
~ax(Dc).
Les moyens (8) permettant d'introduire éventuellement une phase légère L2 sont
habituellement positionnés en aval, dans le sens de circulation de la phase
dense D1, du
niveau de l'entrée interne (3j, et de préférence entre tes mayens (7) de
récupération de la
I 5 phase dense D1 et l'extrémité du conduit (9) de récupération de la phase
dense D1. Dans le
cas de l'appareil schématisé sur la figure 4 l'introduction d'une phase légère
L2 est prévue à 2
niveaux différents par un premier moyen (8) au niveau des moyens (7) et par un
deuxième
moyen (8) en dessous des moyens (6): Les moyens (8) sont positionnés à une
distahce (Lz),
des moyans de récupération de ia phase danse Di , mesurée à partir desdits
moyens (7).
Cet appareil schématisé sur la figure 4 comporte un conduit (9), de
récupération de la phase
dense D1, de diamètre (Ds) habituellement égal à environ 0,1 à environ 1 fois
le diamètre (Dc)
et le ,plus souvent d'environ 0,2 à environ O,i fais ce diamètre:
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13
Toutes les autres caractéristiques de ce séparateur cyclonique horizontal sont
identiques à
celles décrites en liaison avec les appareils représentés sur les figures 1B
et 2, en particulier les
diverses dimensions sont celles mentionnées dans la description de ces
appareils.
Bien que cela ne soit pas représenté sur les figures 1 A, 1 B, 2, 3 et 4 il
est possible, et
habituellement souhaitable, dans le cas de débits importants des diverses
phases au niveau
des entrées de l'appareil, d'utiliser des moyens permettant de favoriser la
formation du vortex.
De tel moyens (10) sont par exemple représentés sur la figure 5 qui représente
selon une
réalisation préférée de l'invention la partie voisine de l'entrée tangentielle
(1) du mélange M1.
1 0 Selon cette réalisation l'appareil comporte un toit, par exemple
hélicoïdal, descendant â
partir du niveau extrême de l'entrée tangentielle (1). Ces moyens (10) peuvent
également
consister en une volute interne ou externe. Ces moyens permettent en outre de
limiter les
interférences entre le flux du mélange M1 et les flux des phases déjà
présentes dans le
séparateur et de limiter également la turbulence au niveau de l'entrée
tangentielle (1).
1 5 Habituellement, en particulier dans le cas d'un toit hélicoïdal
descendant, le pas de l'hélice est
d'environ 0,01 à environ 3 fois la valeur de (Lk) et le plus souvent d'environ
0,5 à environ 1,5
fois cette valeur.
Dans cette forme préférée, de réalisation de l'invention, l'appareil comporte
également entre
2 0 l'entrée externe et l'entrée interne des moyens de stabilisations de
l'écoulement hélicoïdal d'au
moins ta phase légère L1 et de limitation du volume utile à la séparation. Ces
moyens sont de
préférence centrés sur l'axe de l'enceinte intérieure.
Ces moyens peuvent être un cône dont la pointe est dirigée vers l'entrée
interne et dont la
2 5 base est située au niveau extrême de l'entrée tangentielle (1). Ils
peuvent aussi ëtre formés,
comme cela est schématisé sur la figure 5, par un cylindre (11) prolongé par
un cône (12). Le
Y .~
¿4
diamètre c!~ la base du cône est identique à celui du cylindre et est
strictomont inférieur au
diamètre (Dc). Ce diamètre est habituellement d'environ 0,01 à environ 1,5
fois la diamètre (Df)
da l'entrée ir~erno (3) ot de préférence d'environ 0,75 à environ 1,25 fais le
diamètre (Di).
L'encombrement axial ou dimension entre le niveau extrëme de ces mayens le
plus proche de
l'entrée tangentielle et l'extrdmité opposée desdits moyens est habitueliemant
d'environ 0,01
à environ 3 fois fa valeur (Ls) do la distance entra le niveau extrême de
l'entrée tangentielle (1 )
et le niveau de l'entrée interne (3) et de préférence d'environ 0,75 à environ
1,25 fois cette
valeur (Ls).
1 0 Les moyens de sortie (7) de la phase dense D9 permettent habituellement de
collecter et de
canaliser cette phase dense D1 jusqu'à la sortie externe (9). Ces moyens sont
le plus souvent
un fond incliné ou un cône axé ou non sur la sortie interne (4).
Les appareils selon ta présente invention permettent ainsi la séparation
rapide, à partir d'un
1 5 mélange full, comprenant une phase dense et une phase légère, de ladite
phase dosse et de
Ladite phase légère. Hs peuvent être avantageusement utilisés dans le cas où
le mélange à
séparer est un mélange obtenu à l'issue d'une réaction chimique et comprenant
au moins une
phase qui contribua à cetie réaction.
2 0 Dans la présente description les phases sont, pour ce qui est des phases
légères des phases
liquides, gazeuses ou des phases contenant à 1a fois du liquide et du gaz; et
pour ce qui est de
la phase dense une phase solide (sous forme de particules), liquide ou une
phase contenant à
la fois du solide et du liquide. Deux cas sont fréquemment rencontrés : le
premier dans lequel la
phase dense est une phase solide ai les phases légères des gaz et le second
dans lequel il y a
2 5 une phase liquida qui peut être la phase dense ou la phase légère.
n 1
,t 4
~) f~. ~
Le diamètre (Dc) de l'appwreil mesuré au niveau de (entrée tangentielle (1) du
côté de son
extrémité la plus proche de (entrée interne (8) est habituellement d'environ
0,01 ~ environ 10
m (mètres) et le plus souvent d'environ 0,05 à environ 2 m. II est
habituellement préférable de
garder un diamètre constant sur fouie ta longueur de l'appareil compris>e
entre l'extrémité de
5 l'entrée tangentielle la plus proche de !'entrée interne (3) et ladite
entrée interne (3) ou méme
depuis le niveau de l'injection du mélange M1 jusqu'au niveau des moyens (7)
da sortie de ia
phase dense Di ; cependant on ne sortirait pas du cadre de l'invention dans 9e
cas d'un
appareil comportant des élargissements ou des rétrécissements de sectïon entre
lesdits
niveaux.
Pour obtenir une bonne séparation d'une phase L1 contenu dans un mélange M1
comprenant
également au moins une phase D1 il est préférable d'avoir une vitesse
superficielle d'entrée de
cette phase Li élevée et par exemple d'environ 5 à environ 150 mxs'1 (m8tre
par seconde) et
de préférence d'environ t0 à environ 75 mxs'1. Le rapport en poids du débit de
la phase Di au
1 5 débit de ia phase Li est habituellement d'environ 0,0001 : 1 à environ 50
: i et le plus souvent
d'environ t7,1 : i é environ l5 : 1.
(test possible en augmentant la différence d2 pression entre l'entrée (3) et
les moyens (7), ce
qui peut ëtre obtenu par exemple en augmentant fa pression en aval, dans le
sens de la
2 0 circulation de la phase dense D1, de l'entrée interne (3) ou en diminuant
Ia pression en aval,
dans le sans de la cércuiation de ia phase dense Di, des mayens (7) de sortie
de cette phase,
de soutirer une partie plus ou moins importante de ta phase L1 avec la phase
D1 et
simultanément d'obtenir au niveau de la sortie (4) un mélange pratiquement
complètement
exempt de phase D1. On peut ainsi soutirer jusqu'à 90 % de la phase Li avec
Di, mais le plus
2 5 souvent an soutire environ 1 à environ 10 % ds cette phase L1 avec la
phase D1. Les variations
de pression permettant de jouer sur la quantité de phase Li soutirée avec la
phase D1 sont
2 ~l '_° ~ :~ '-i "~
16
assurées par des moyens bien connus de l'homme du métier et par exemple en
modifiant fe
débit de la phase L3, ou en modifiant les conditions d'opérations en aval de
la sortie (9). Ainsi
dans une forme avantageuse de réalisation de l'invention l'appareil comprendra
au moins un
moyen permettant le soutirage, par la sortie externe (5), d'au moins une
partie de la phase
légère Li en mélange avec la phase danse D1.
Dans les divers appareils selon l'invention et dans les dïfférents modes
d'injection du mélange
M1 un tel soutirage peut permettre d'améliorer l'efficacité de récupération de
la phase dense
D1.
1 0 Le choix entre un appareil comportant une entrée tangentielle, pour le
mélange M1, et un
appareil comportant une entrée axiale, pour ce mélange M1, est habituellement
guidé par le
rapport en poids des débits des phases L1 et Di. Dans le cas où ce rapport est
inférieur à 2 : 1 il
peut être avantageux de choisir un appareil à encrée axiale.
1 5 Dans l'art antérieur on note US-A-4,746,340 qui concerne un purificateur
d'air et non la
séparation de deux phases (légère et lourde) d'dn mélange sotide/gaz obtenu
notamment
après une réaction chimique. On note également US-A-3;955,948 qui se diffère
de l'invention
par l'emploi de vannes hélicoïdales au lieu de pelas planes.
2 0 L'exemple qui suit est donné à titre iliustratif et montre l'efficacité de
la séparation d'une phase
légére (gazeuse) Li contenue dans un mélange M1 contenant également une phase
dense
(solide) D1 et également l'efficacité des pales sur la pénétration du vortex
de la phase gazeuse
L1 dans la sortie externe.
CA 02043947 2000-10-05
17
Exemple
On réalise deux appareils, d'axes verticaux, conformes à ceux représentés
schématiquement
sur les figures 1B et 2 comportant une entrée tangentielle à toit descendant
sur 3/4 de tour
continuellement sur une hauteur égale à la valeur de Lk. Ces appareils ont les
caractéristiques
géométriques mentionnées dans le tableau I ci-après. Ils comportent un volume
mort ayant la
forme de celui schématisé sur la figure 5 et composé d'un cylindre prolongé
d'un cône dont la
pointe est dirigée vers l'entrée interne (3). Le diamètre du cylindre est égal
à 0,5 fois le diamètre
(Dc) de l'enceinte extérieure, sa hauteur est de 0,5x(Dc) et le cône a une
base circulaire de
diamètre 0,5x(Dc) et une hauteur de 1x(Dc).
TABLEAU I
Appareil A Appareil B
Dimensions avec sans
en cm pales pales
1 5 DC 5,1 5,1
De 2,5 2 , 5
Ls 7,6 7,6
LIC 2,5 2, 5
Lp 2,5 --
2 0 hpe 5,1 -
hpi 5,1 -
1,3 1,3
ep 1,2 -
Np*(nombre) 8 0
2 5 p' 25 25
* Np reprsente le nombre Les autres
de pales. symboles
sont dfinis
dans la description.
c~~.~ r.=
18
Les flux des phases introduites sont caractérisés à l'aide c'~s notations
suivantes :
température d'entrée : T
débit massique : F
débit volumique : Q
masse volumique : R
vitesse superficielle : V
diamètre de sauter des particules : ds
1 0 La phase L1 est de l'air ayant les caraciérisüques suivantes :
TLi=25°C, FL1=7,4x10'3Kg/s,~Li=6,2x10'3m3/s, VLi=V=i8m/s.
Il n'y a pas d'injection de phase L2.
La phase D1 est constituée de bille de verre ayant les caractéristiques
suivantes
1 5 TDi=25°C, FD1=14x10'3Kg/s,RDi=2500Kg/m3, dsDi=29x10'8m.
Les performances des appareils, mentionnées dans le tableau II, scant
exprimées comme suit
EDi= efficacité de séparation de Di dans l'appareil (rapport du débit massique
de D1 mesuré
dans le conduit (9) de récupération de la phase dense D9 au débit massique de
D1 introduit
2 0 dans l'entrée tangentielle (1)) avec un soutirage de la phase L1 dans le
conduit (9) de
récupération de fa phase dense Di de 2 % en poids par rapport au poids de Li
introduit dans
l'entrée tangentielle (1).
Pvortex = distance entre la fin du vortex de L9 dans la sortis externe (5) et
le sommet de
2 5 l'entrée interne (3). Cette distance est mesurée é l'aide de sondes
thermiques permettant de
~~ ,ry ;;. Fâ ~'~ ~,
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mettra an évidence la disparition da la composante vitesse tangentiel! ci donc
du vortex dans
l'écoulement de la phase t_1 dans la sortie externe (5),
TABL.F~1U II
S f'erformancas Appareil A Appareil B
ED1 99,9 % 99.9
Pvortex 4 cm 18 cm
