Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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DISPOSITIF DE MISE EN CONTACT D'UNE ESPECE LIQUIDE
ET D'UNE ESPECE SOLIDE PARTICULAIRE EN CROISSANCE
L'invention a trait à un dispositif de mise en contact d'une espèce
liquide et d'une espèce solide en croissance, applicable au traitement des
eaux
usées industrielles et urbaines chargées en particules et que l'on souhaite
homogénéiser, et au traitement de purification d'eau destinée à la
consommation ou à des processus industriels nécessitant une eau
particulièrement propre.
L'invention s'applique notamment aux traitements par floculation d'un
fluide à traiter. Par exemple, elle s'applique à la technologie de l'Actif Io
qui est
un système de décantation utilisant un ajout de microsable et de polymère
floculant à l'effluent afin de provoquer une floculation lestée, c'est-à-dire
une
croissance de flocs autour d'un lest constitué par les particules de
microsable.
L'eau est agitée par un agitateur à pales pour créer l'adhérence.
Préalablement
au traitement, un coagulant comme le chlorure ferrique peut être ajouté pour
enlever la charge des colloïdes.
L'invention s'applique également à des traitements de précipitations
d'eaux usées industrielles ayant pour but la récupération sous forme de
cristaux
de matière minérale comme le gypse ou le calcaire. Une homogénéisation du
fluide est souhaitée, pour permettre un contrôle de la granulométrie. De
manière proche, des procédés d'adoucissement d'eau, visant à la suppression
du calcaire dans celle-ci pour une utilisation industrielle spécifique sont
également basés sur la précipitation du calcaire.
Dans ces systèmes, on met en place une agitation pour assurer
l'homogénéisation. Il est nécessaire que cette agitation soit compatible avec
la
croissance des agrégats de l'espèce solide, et ce malgré les obstacles que
constituent les parois latérales de la cuve, contre lesquelles les agrégats
viennent buter s'ils sont animés d'une vitesse comportant une composante
radiale significative.
Pour répondre à ce cahier des charges, il est possible de choisir un
agitateur à pales adapté à fournir une poussée qui soit plus longitudinale que
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radiale. De plus, il est possible d'insérer l'agitateur à pales dans un tube
guide-
flux dont l'axe est aligné sur celui de l'agitateur à pales. Le tube guide-
flux
assure la compartimentation de la cuve entre l'intérieur du tube guide-flux où
le
courant est descendant, et l'extérieur du tube guide-flux où le courant est
montant. La composante radiale des courants est fortement diminuée, ce qui
assure une croissance harmonieuse des agrégats d'espèce solide qui ne
heurtent pas les parois latérales.
Ainsi, une version optimisée d'ActifloO, appelée Turbomix , est
basée sur une cuve unique comprenant un tube guide-flux, un agitateur dans le
tube guide-flux et un croisillon s'opposant à la rotation de l'écoulement
sortant
du tube guide-flux, ce qui permet une diminution de la taille des
installations,
des économies d'énergie et un retraitement facilité des flocs. Elle est
décrite
dans le document WO 2005/065832.
Dans les différentes situations de mise en contact d'une espèce
liquide et d'une espèce solide en croissance évoquées, dans un but
d'amélioration des techniques disponibles, une amélioration possible reste la
suppression la plus complète possible d'effets de cisaillement résiduels dans
les procédés connus. Ces cisaillements, non reconnus par l'art antérieur, ont
pour effet de disloquer les flocs ou les cristaux et s'opposent donc au bon
déroulement du processus de croissance de ceux-ci. Plus particulièrement, des
vortex apparaissent dans certaines configurations, et ils ont le double
désavantage de dissiper inutilement de l'énergie et de provoquer des
cisaillements dans la cuve.
Pour résoudre ce problème, la présente invention consiste en un
dispositif de mise en contact d'une espèce liquide et d'une espèce solide
particulaire en croissance, comprenant une cuve dans laquelle est disposé un
agitateur à pales en rotation autour d'un axe, l'agitateur étant
éventuellement
muni d'un tube guide-flux, la cuve comprenant de plus un obstacle statique
globalement centré autour dudit axe dans le prolongement de l'agitateur,
caractérisé en ce que l'obstacle statique a une dimension transversale externe
qui croit lorsque l'on s'éloigne de l'agitateur parallèlement audit axe, avec
une
pente par rapport à cet axe qui est constante ou croissante.
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Par dimension transversale externe on entend ici la dimension
s'étendant d'un côté à l'autre de la surface externe en coupe axiale (un
diamètre en cas de forme de révolution), et non pas la distance à l'axe de tel
ou
tel point de cette surface (un rayon dans le cas précité d'une forme de
révolution).
Ce dispositif offre une homogénéisation du mélange efficace à faible
consommation d'énergie, et une diminution des effets de cisaillement observés
dans les dispositifs antérieurs. Les particules solides suivent des
trajectoires en
U à courbure modérée et remontent rapidement le long des parois latérales de
la cuve, et ne restent pas déposées dans le prolongement de l'agitateur.
L'espèce solide particulaire grossit rapidement, et il est possible de
diminuer la
vitesse d'agitation.
L'implantation d'un obstacle statique dans le prolongement d'un
agitateur combiné à un tube guide-flux était déjà connue d'après le document
KR 2006/0114644 qui décrit un dispositif de dissolution instantanée incluant
un
agitateur inférieur en dehors du tube guide-flux combiné à un élargissement du
tube guide-flux à son embouchure inférieure, indispensables pour créer les
mouvements aléatoires nécessaires à la dissolution rapide des espèces solides
introduites ; on comprend en effet que, puisque l'embouchure inférieure du
tube
guide-flux est évasée, seule une part du flux descendant intercepte cet
agitateur inférieur tandis qu'une autre part de ce flux circule
horizontalement à
la sortie du tube, ce qui provoque des turbulences favorables à la dissolution
lorsque ces deux parts se télescopent ; un petit élément disposé dans le
prolongement de l'axe contribue au guidage du flux. Il faut noter que puisque
ce
document concerne un dispositif de dissolution instantanée, ses éléments sont
conçus en sorte de provoquer des turbulences importantes propres à favoriser
la dissolution, ce qui va à l'encontre de l'invention qui vise par contre à
préserver une phase solide en croissance.
On connait en outre, d'après le document US ¨ 6 345 810, un
dispositif d'aération comportant un agitateur dans le prolongement duquel est
disposé un dôme au centre duquel débouche un canal d'injection d'air ;
l'agitateur, dont le moteur empêche un écoulement vertical le long de l'axe
vers
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le bas, a pour but de brasser latéralement le liquide tout en provoquant un
éclatement des bulles d'air en sorte d'optimiser l'effet d'aération. Le dôme a
un
profil dont la pente par rapport à l'axe diminue en s'éloignant. Puisque ce
document vise à pulvériser les bulles d'air qui arrivent, ses éléments ne sont
pas compatibles avec un dispositif visant à préserver une phase solide en
croissance.
Selon des caractéristiques avantageuses, l'agitateur et l'obstacle
statique sont conformés et/ou dimensionnés et/ou positionnés l'un en fonction
de l'autre.
Ainsi, de manière avantageuse, l'obstacle statique est coiffé
axialement par l'agitateur et/ou par le tube guide-flux lorsqu'il existe ; en
d'autres termes, l'écoulement se faisant en pratique vers le bas, l'agitateur
et/ou
le tube guide-flux descendent au moins approximativement, par leur partie la
plus basse, au niveau de la partie la plus haute de l'obstacle statique ;
l'effet
coiffant de l'agitateur et/ou du tube guide-flux provient de ce que leurs
parties
basses respectives sont en pratique situées à distance de l'axe alors que la
partie la plus haute de l'obstacle statique est en configuration centrale.
De manière préférée, l'obstacle statique et l'agitateur sont au moins
en un point (d'un plan axial) éloignés longitudinalement d'une distance
inférieure à la dimension longitudinale de l'agitateur. Cette caractéristique
garantie le caractère minimal des composantes de vitesse à contre-courant au
niveau de l'axe entre l'agitateur et l'obstacle statique et optimise la
synergie
entre l'agitateur et l'obstacle statique pour assurer une transition continue
des
trajectoires du flux descendant.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la valeur
maximale de la dimension transversale externe de l'obstacle statique est au
moins égale à la dimension transversale maximale de l'agitateur et/ou du tube
guide-flux lorsqu'il existe. Cela garantit que la totalité du flux amené par
l'agitateur ou par le tube guide-flux est intercepté par l'obstacle et est
guidé
progressivement vers des trajectoires douces en U.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la
dimension axiale de l'obstacle statique est au plus égale à la moitié de la
valeur
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maximale de ladite dimension transversale externe, voire au plus égale au
tiers
de cette valeur. Cela garantit que l'obstacle assure un guidage du flux
jusqu'à
lui imposer une composante radiale significative.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la
5 surface externe de l'obstacle statique a, dans un plan quelconque passant
par
l'axe, une inclinaison moyenne d'au moins 45 par rapport à cet axe; cela
contribue aux effets précités ; en fait, lorsque l'obstacle statique a une
partie
haute de faible section, en forme de pointe éventuellement émoussée, la
caractéristique précédente est en pratique également réalisée.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la
surface externe de l'obstacle statique se raccorde au fond de la cuve de
manière au moins approximativement tangente, avec un angle d'au plus 15 .
Cela contribue à optimiser la synergie entre l'obstacle statique et la paroi à
laquelle il est fixé, en pratique le fond de la cuve, dans le guidage du flux
dans
ses trajectoires en U.
La pente de la surface externe de l'obstacle statique peut, dans une
configuration particulièrement simple du point de vue géométrique, être
constante depuis le sommet de l'obstacle jusqu'à la paroi à laquelle cet
obstacle est fixé ; toutefois, selon une autre caractéristique avantageuse, la
surface externe de l'obstacle statique comporte au moins une zone qui, dans un
plan axial, est incurvée avec une concavité orientée à l'opposé de l'axe. On
comprend en effet, plus la surface externe de l'obstacle statique est
incurvée,
plus l'effet de guidage et d'accompagnement du flux est important.
Selon une caractéristique avantageuse, un rayon de courbure de
l'obstacle statique, dit premier rayon de courbure, pris dans un plan
comprenant
l'axe est compris entre le quart d'une dimension transversale de référence de
la
cuve et une fois, ou une fois et demie ladite dimension transversale de
référence de la cuve. Par dimension transversale de référence on entend
généralement une dimension transversale du volume de cuve dans lequel
l'agitateur étend son influence ; il s'agit en pratique, pour des raisons de
minimisation d'encombrement, de la dimension transversale minimale de la
cuve, par exemple un côté du fond de cette cuve, lorsqu'elle est rectangulaire
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ou carrée. Cette caractéristique qui vise un dimensionnement précis de
l'obstacle statique en relation avec les dimensions de la base de la cuve,
permet de minimiser les composantes de vitesse à contre courant dans le
prolongement de l'axe de l'agitateur, permettant à l'espèce solide
particulaire de
grossir rapidement, et à l'exploitant de diminuer la vitesse d'agitation.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'aspect
incurvé de la surface externe résulte de ce que la surface externe de
l'obstacle
statique comporte une succession axiale de portions de pentes constantes, ces
pentes augmentant (par rapport à l'axe) d'une portion à l'autre en s'éloignant
de
l'agitateur. Une telle configuration peut présenter des avantages en termes de
fabrication.
Selon une autre caractéristique avantageuse, l'obstacle statique a
une forme globalement régulière autour de l'axe, par exemple une forme de
révolution. Cela contribue à obtenir une bonne symétrie axiale de
l'incurvation
des trajectoires des diverses fractions du flux descendant. Notamment dans un
tel cas, l'obstacle statique comprend le long de sa surface externe au moins
deux nervures. Celles-ci s'éloignent de la portion centrale de l'obstacle
statique,
de manière radiale, voire à la fois radiale et circonférentielle. Il y a de
préférence une nervure par coin de la base de la cuve, chaque coin étant dans
le prolongement d'une nervure, ce qui permet de diminuer les phénomènes de
cisaillement en utilisant au mieux l'espace de la cuve. Il peut y avoir plus
de
nervures que de coins de la base de la cuve.
Selon une autre forme possible de la surface externe de l'obstacle
statique, cette surface externe de l'obstacle statique a la forme d'une
pyramide
formée d'une succession circonférentielle de facettes séparées par des arêtes.
Il faut rappeler que la notion de pyramide implique la présence de facettes,
planes ou incurvées, en nombre quelconque pouvant être égal à 4, voire
inférieur (3 facettes) ou supérieur (souvent en nombre pair, tel que 6 ou 8).
On
comprend qu'une telle configuration conduit à une certaine facilité de
fabrication. Lorsque les facettes sont incurvées, elles sont avantageusement
formées de portions de cylindre au sens mathématique du terme, c'est-à-dire
des portions d'une surface formée par le déplacement d'une ligne droite
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(parallèle au fond de la cuve) le long d'une génératrice (ici située en
pratique
dans un plan contenant l'axe). Une telle configuration combine une simplicité
de
fabrication et un bon guidage du flux.
De manière particulièrement avantageuse, le fond comporte, au
moins dans le prolongement des arêtes, des nervures s'éloignant
transversalement de l'axe. On comprend que ces nervures, lorsqu'elles sont
solidaires de l'obstacle statique, peuvent contribuer à la bonne fixation de
l'obstacle statique au fond de la cuve ; par ailleurs, lorsque ces nervures
s'étendent jusqu'à des coins de ce fond, on comprend que ces nervures
peuvent en outre contribuer à un bon maintien en position de l'obstacle
statique
par rapport aux coins de ce fond.
De manière préférée, les pales sont vrillées, c'est-à-dire que leur
inclinaison par rapport à l'axe varie depuis l'axe vers les extrémités de ces
pales, par exemple dans un sens croissant. Selon une alternative, les pales
sont pliées, c'est-à-dire qu'elles comportent, séparées par une ligne de
pliage
s'écartant globalement de l'axe (mais pas nécessairement coplanaire avec cet
axe), deux portions amont et aval de pentes constantes par rapport à l'axe.
Quelle que soit la forme particulière des pales, elles ont
avantageusement, au moins en leurs extrémités, un angle d'attaque compris
entre 35 et 55 par rapport à l'axe ; cet angle d'attaque est l'angle
d'inclinaison
des pales près de leurs d'attaque, à savoir ici près de leurs bords
supérieurs.
Cela contribue à un bon entraînement axial du flux.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la valeur
maximale de la dimension transversale externe de l'obstacle statique
représente au moins un tiers de la plus petite dimension transversale du fond
auquel cet obstacle statique est fixé (il s'agit d'un ordre de grandeur, de
sorte
que cette condition inclue notamment une valeur de quelques 30%). Cela
garantit un effet de guidage du flux sur une fraction substantielle de la
superficie
de ce fond.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, un tube guide-
flux est effectivement présent, c'est-à-dire que l'agitateur est inséré au
moins
partiellement (voire complètement) dans un tube guide-flux. Lorsque
l'agitateur
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n'est inséré que partiellement dans un tube guide-flux, alors, selon une
caractéristique avantageuse, il dépasse de l'embouchure du tube guide-flux
d'au moins 5% et au plus 60 % de sa dimension mesurée parallèlement à l'axe,
et préférentiellement d'au moins 15 % et au plus 45 %. . Cette caractéristique
permet de limiter le cisaillement lié à la rencontre des parois du tube guide-
flux
avec la composante radiale des courants créés par les pales, qui existe même
si l'agitateur a été conçu avec soin.
Selon une autre caractéristique avantageuse, dans un plan
comprenant l'axe, la surface interne des pales a un projeté parallèle à la
surface externe de l'obstacle statique. Cette caractéristique permet de
limiter
les phénomènes de cisaillement dans l'espace entre l'obstacle et les pales.
Elle
est de préférence mise en uvre sur la plus grande distance possible.
Selon une autre caractéristique avantageuse, dans un plan
comprenant l'axe, la surface externe des pales a un projeté circulaire dont un
rayon de courbure, dit deuxième rayon de courbure, est compris entre un
huitième d'une dimension transversale de référence de la cuve et la moitié de
ladite dimension transversale de référence de la cuve.
De manière générale, cette caractéristique qui vise un
dimensionnement des pales en relation avec les dimensions de la base de la
cuve, permet de limiter les phénomènes de cisaillement en bout de pale.
Selon une autre caractéristique avantageuse, dans un plan
comprenant l'axe, la surface externe des pales a un projeté circulaire dont un
rayon de courbure dit deuxième rayon de courbure est compris entre la moitié
d'un rayon de courbure dit premier rayon de courbure de la surface externe de
l'obstacle statique et deux fois ledit rayon de courbure dit premier rayon de
courbure de la surface externe de l'obstacle statique.
De manière générale, cette caractéristique qui vise un
dimensionnement des pales en relation avec les dimensions de l'obstacle
statique, permet de limiter les phénomènes de cisaillement et la formation de
vortex.
9
L'invention porte également sur un procédé de mise en contact d'une
espèce liquide et d'une espèce solide particulaire en croissance au sein d'une
cuve, selon lequel , au moyen d'un agitateur à pales en rotation autour d'un
axe, l'agitateur étant éventuellement muni d'un tube guide-flux, on mélange et
on entraîne les deux espèces suivant cet axe, vers un obstacle statique
globalement centré autour dudit axe dans le prolongement de l'agitateur
caractérisé en ce qu'on impose à ces espèces mélangées des trajectoires
globalement en forme de U par l'intermédiaire de cet obstacle statique, cet
obstacle statique ayant une dimension transversale externe qui croit lorsque
l'on s'éloigne de l'agitateur parallèlement audit axe, avec une pente par
rapport
à cet axe qui est constante ou croissante.
L'invention porte aussi sur le procédé de dimensionnement de
l'ensemble formé par la cuve de mise en contact, l'agitateur et un obstacle
statique installé dans la cuve.
L'invention porte également sur un dispositif de mise en contact
d'une espèce liquide et d'une espèce solide particulaire en croissance,
comprenant une cuve dans laquelle est disposé un agitateur à pales en rotation
autour d'un axe, la cuve comprenant de plus un obstacle statique globalement
centré autour dudit axe dans le prolongement de l'agitateur, où l'obstacle
statique a une surface externe ayant, dans un plan passant par l'axe, une
dimension transversale externe qui croît lorsque l'on s'éloigne de l'agitateur
parallèlement audit axe, avec une pente par rapport à cet axe qui est
constante
ou croissante et où l'obstacle statique comprend au moins deux nervures le
long de sa surface externe.
L'invention porte également sur un procédé de mise en contact d'une
espèce liquide et d'une espèce solide particulaire en croissance au sein d'une
cuve, selon lequel , au moyen d'un agitateur à pales en rotation autour d'un
axe, l'agitateur étant éventuellement muni d'un tube guide-flux, on mélange et
on entraîne les deux espèces suivant cet axe, vers un obstacle statique
globalement centré autour dudit axe dans le prolongement de l'agitateur où
l'on
impose à ces espèces mélangées des trajectoires globalement en forme de U
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9a
par l'intermédiaire de cet obstacle statique, cet obstacle statique
ayant une dimension transversale externe qui croît lorsque l'on s'éloigne de
l'agitateur parallèlement audit axe, avec une pente par rapport à cet axe qui
est
constante ou croissante, et comprenant au moins deux nervures le long de sa
surface externe.
L'invention va maintenant être décrite en relation avec les figures
annexées.
La figure 1 représente un agitateur utilisé, de manière générale, dans
les dispositifs de mise en contact.
La figure 2 représente les flux hydrauliques dans une cuve selon l'art
antérieur.
La figure 3 représente les variations de vitesse mesurées en un point
de la cuve selon la figure 2.
La figure 4 représente les zones de faible pression dans une cuve
selon l'art antérieur.
Les figures 5 et 6 représentent deux obstacles statiques utilisables,
selon l'invention, en fond de cuve.
Les figures 7 et 8 représentent un premier mode de réalisation de
l'invention.
Les figures 9 et 10 représentent plus précisément un mode de
réalisation d'un obstacle statique utilisé en fond de cuve dans ce premier
mode
de réalisation de l'invention.
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Les figures 11 et 12 représentent plus précisément l'agitateur utilisé
dans ce mode de réalisation de l'invention.
La figure 13 représente les vitesses des flux dans une cuve
incorporant l'invention.
La figure 14 représente les zones de basse pression dans une cuve
selon l'invention.
La figure 15 représente en perspective d'un second mode de
réalisation d'un dispositif selon l'invention.
La figure 16 en est une vue en élévation.
La figure 17 est une vue en perspective de l'obstacle statique, avec
des nervures dans le prolongement des arêtes.
En figure 1, on a représenté un agitateur 100 utilisable de manière
générale dans une cuve de mise en contact d'une espèce liquide et d'une
espèce solide. Cet agitateur comprend un axe 110 autour duquel il est animé
d'un mouvement de rotation (par exemple du fait de l'action d'un moteur non
représenté) et de pales 120 réparties en général de manière régulière autour
de
l'axe 110 et dont la forme et la disposition, en général identiques pour
toutes les
pales, permettent à l'agitateur en rotation d'exercer une poussée axiale 130
(aussi qualifiée de poussée longitudinale) sur le liquide dans lequel il est
plongé. Le nombre de pales de l'agitateur 100 est d'au moins deux, mais plus
l'agitateur comprend de pales, plus le dispositif est performant.
De manière générale, un tel agitateur peut être placé dans un tube
guide-flux, qui est un dispositif constitué essentiellement d'un cylindre,
généralement de base circulaire, creux, séparant une zone intérieure dans
laquelle s'écoule un fluide animé par la poussée axiale 130 et une zone
extérieure dans laquelle le fluide est animé globalement d'un mouvement
parallèle à la poussée axiale 130, mais de sens opposé. La présence d'un tel
tube guide-flux permet de diminuer la vitesse de rotation de l'agitateur. En
effet,
le tube guide-flux transforme une partie de la poussée radiale créée par
l'agitateur en poussée axiale.
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En figure 2, on a représenté une cuve de mise en contact 200
comportant un agitateur 100 et un tube guide-flux 210. Ici, les pales 120 de
l'agitateur sont entièrement présentes à l'intérieur de l'espace interne du
tube
guide-flux 210. Les axes du tube guide-flux 210 et de l'agitateur 100 sont
alignés. La cuve 200 est en béton ou constitue un ouvrage de génie civil.
Sur la figure 2, la partie inférieure de la cuve 200 dans le
prolongement du tube guide-flux 210 et de l'agitateur 100 est occupée par un
croisillon tel que décrit dans la demande de brevet internationale VVO
2005/065832. Celui-ci est constitué de deux parois rectangulaires
perpendiculaires l'une à l'autre se croisant selon une droite parallèle à leur
petit
côté et situé à mi-longueur de leur grand côté. Ce croisillon est disposé de
telle
sorte que la droite d'intersection des parois soit dans le prolongement de
l'axe
commun du tube guide-flux 210 et de l'agitateur 100. Le croisillon est
référencé
230.
Toujours en figure 2, la cuve 200 est figurée avec les vecteurs
vitesses du fluide en mouvement qu'elle contient.
En figure 3, on a représenté la variabilité dans le temps de la vitesse
axiale dans la zone référencée 240 en figure 2. Cette zone est située à
l'intérieur du tube guide-flux 210 à hauteur des pales de l'agitateur 100. La
figure 3 montre la très grande variabilité de cette vitesse, synonyme de
consommation d'énergie inutile et de risques de cisaillement des espèces
solides présentes dans la zone 230.
Dans l'espace entre le centre des pales de l'agitateur 100 et l'axe
central du croisillon 220, le sens moyen de circulation du fluide est du
croisillon
220 vers l'agitateur 100, contrairement à la circulation dans le reste de
l'intérieur
du tube guide-flux 210.
En figure 4, on a représenté dans l'espace de la cuve 200 les
surfaces iso-pression de pression statique égale à -100 Pa par rapport à la
moyenne. On distingue un anneau continu autour du croisillon 220, ainsi que
des vortex s'étendant dans chacun des quatre quarts d'espace définis par le
croisillon 220, depuis le bas de l'agitateur 100.
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12
Ces constatations originales ont ouvert la voie à l'amélioration des
systèmes existants.
De plus, ces résultats de simulation sont validés par comparaison
avec les valeurs de vitesses axiales obtenues expérimentalement en fonction
de la distance par rapport à l'axe (non représenté).
Différentes hélices ont été testées pour l'agitateur 100. Notamment,
des hélices à quatre et huit pales comprenant ou non un cylindre extérieur
sertissant les pales, et pour la configuration à huit pales comprenant ou non
un
dôme central. Ces différentes hélices ont été testées dans une cuve 200 dotée
d'un tube guide-flux 210 et d'un croisillon 220, celui-ci étant ensuite
remplacé
par soit une pyramide 700 à huit faces telle que représentée en figure 6, dont
les faces s'étendent jusqu'à la pointe et dont la surface externe a, dans un
plan
passant par l'axe, une dimension transversale externe maximale 710, soit la
même pyramide à huit faces mais avec un sommet tronqué 600 telle que
représentée en figure 5, et dont la surface externe a, dans un plan passant
par
l'axe, une dimension transversale externe maximale 610. Les faces (ou
facettes) des pyramides sont ici identiques, correspondant à une symétrie
axiale, et peuvent être soit planes soit incurvées vers le haut et vers
l'opposé de
l'axe.
Ainsi, un obstacle statique ayant une forme globalement régulière
autour de l'axe, par exemple une forme de révolution, a été choisi. Mais plus
particulièrement une forme de révolution permet d'obtenir d'excellents
résultats,
notamment en évitant la formation de vortex au niveau des arêtes constatées
avec les formes anguleuses. On peut noter que, en cas de symétrie axiale avec
une forme de pyramide, on approche d'autant plus d'une forme exacte de
révolution qu'il y a un nombre important de facettes.
En figures 7 et 8, on a représenté un mode complet de réalisation de
l'invention. Celui-ci comprend dans une cuve 200 un agitateur 800 à huit pales
820 réparties régulièrement autour de l'axe de rotation 810 actionné par le
haut
de la cuve (non représenté). Un tube guide-flux 210 identique à celui
représenté
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12a
aux figures précédentes est présent et les pales 820 dépassent
légèrement par leurs extrémités distales de la partie inférieure du tube guide-
flux.
La présence d'un tube guide-flux n'est pas indispensable, mais de
manière générale, l'agitateur est configuré, en association avec son éventuel
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13
tube guide-flux, pour assurer le développement de courants essentiellement
longitudinaux. S'il y a plusieurs agitateurs, chacun d'entre eux est configure
pour assurer le développement de courants essentiellement longitudinaux.
Un obstacle statique 830 est disposé au fond de la cuve 200. Ce
dispositif statique 830 a une forme générale de révolution avec un sommet
pointant vers l'agitateur et un diamètre croissant suivant l'axe longitudinal
quand on s'éloigne de l'agitateur 800 (cet obstacle a donc une section
circulaire
à la différence de ceux des figures 5 et 6). Le diamètre maximal 835 du
dispositif statique 830 est atteint au contact du fond de la cuve 200. Cet
obstacle a ici une forme non conique ou tronconique, mais une forme évasée
vers l'opposé de l'axe, avec une courbure, constante ou non, tournée vers
l'extérieur. De préférence, le rayon de courbure de l'obstacle 830 dans un
plan
comprenant l'axe 810 est sensiblement constant sur la plus grande distance
possible. Il est choisi en fonction des dimensions de la base (ou fond) de la
cuve 200, de manière à minimiser les cisaillements dans le fond de la cuve,
zone où l'on souhaite que le fluide et les agrégats qu'il transporte suivent
des
trajectoires globalement en forme de U, douces et sans déperdition d'énergie
ou cisaillements.
En figures 7 et 8, la géométrie du fond de la cuve est représentée
avec une forme carrée ainsi que la hauteur de la cuve qui est à peu près le
double de la hauteur du tube guide-flux. Le tube guide-flux 210 est placé dans
le mode de réalisation présenté à égales distances du bas et du haut de la
cuve. Dans d'autres dispositions, les pales de l'agitateur pourraient dépasser
à
l'une ou l'autre des extrémités ou embouchures du tube guide-flux (voir être
en
dehors de celui-ci). Le diamètre de l'agitateur (et de l'éventuel tube guide-
flux
associé) est typiquement d'au moins de l'ordre d'un tiers de la plus petite
largeur du fond de la cuve.
En figure 9, qui est une vue dans un plan perpendiculaire à l'axe 810
et 10, qui est une vue dans un plan contenant l'axe 810, la géométrie du
dispositif statique 830 est représentée plus en détail. Son sommet peut être
pointu, ou au contraire émoussé. On observe l'extrémité arrondie 831 qui a
essentiellement la forme d'une sphère.
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Sont également représentées quatre nervures 832 s'élevant de la
surface du dispositif statique 830 et parcourant celui-ci depuis une section
transversale intermédiaire jusqu'à sa section transversale externe. Chacune
des nervures 832 nait de manière tangente au périmètre de la section
transversale intermédiaire. Ces nervures 832, contrairement au reste du
dispositif statique 830, n'ont pas une géométrie de révolution. Elles
constituent
chacune une saillie de dimension saillante parallèle à l'axe longitudinal et
de
hauteur de saillie sensiblement constante sur toute la longueur de la nervure.
Enfin, le parcours de chaque nervure 832 le long de la surface de l'obstacle
statique 830 est, en projection dans un plan transversal tel que représenté
dans
la partie supérieure de la figure 9, légèrement courbée par rapport à une
ligne
droite, chacune des nervures 832 tendant, dans le mode de réalisation
présenté, vers un des coins de la base carrée de la cuve 200 (non
représentée). La hauteur de chacune des nervures 832 est ici sensiblement
constante. Ces nervures peuvent contribuer à atténuer les composantes de
rotation induites par l'agitateur au flux de fluide descendant.
En figure 11, un exemple de géométrie précise des pales 820 de
l'agitateur 800 est représenté. Trois vues de la même pale sont représentées
dans trois plans décalés les uns par rapport aux autres de 900. L'axe 810 est
figuré dans les trois vues. La pale 820 est une plaque fine de matériau. En
dehors de sa jonction avec l'axe 810, elle est délimitée par trois arêtes
visibles
en figure 11. Sa surface est inclinée à sa jonction avec l'axe 810 d'un angle
Al
de 600 par rapport au plan transversal perpendiculaire à l'axe. A son
extrémité
distale 822 (définie par l'unique arête qui ne débouche pas sur l'axe 810), la
pale 820 est inclinée par rapport au plan transversal perpendiculaire à l'axe
d'un angle A2 de 450 seulement (en effet, l'inclinaison Al auprès de l'axe est
avantageusement supérieure à l'inclinaison au niveau des extrémités distales
des pales. Cette variation d'angle entre l'axe 810 et la partie distale 822 de
la
pale provient du caractère vrillé de la pale, adapté à produire une poussée
longitudinale d'intensité constante en fonction de la distance à l'axe. On
peut
noter que, puisque les pales ont ici, en chaque coupe parallèle à l'axe, une
pente constante (qui diminue au fur et à mesure qu'on s'éloigne de l'axe),
cette
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pente est égale à l'angle d'attaque (c'est à dire l'inclinaison des pales au
niveau de leur bord d'attaque (bord supérieur).
Plus généralement, au moins une pale de l'agitateur est vrillée, et de
préférence toutes les pales sont vrillées, par exemple de la même manière. Les
5 cisaillements et les vortex sont globalement diminués.
On a figuré la hauteur D de la partie distale 822 de la pale
parallèlement à l'axe longitudinal. En figure 8, les pales 820 dépassent de
l'embouchure inférieure du tube guide-flux d'environ un quart de la hauteur D.
En figure 12, on a représenté la coupe du dispositif statique 830 et le
10 projeté de la pale 820 dans le plan A-A' représenté en figure 11. Le
rayon de
courbure R2 de la surface externe du projeté de la pale 820 est sensiblement
constant. Il est choisi en fonction des dimensions de la base de la cuve, de
manière à limiter les phénomènes de cisaillement en bout de pale.
Alternativement ou en combinaison, il est choisi en fonction des dimensions de
15 l'obstacle statique 830, pour limiter les cisaillements et la formation
de vortex.
La surface interne 823 du projeté de la pale est, quant à elle,
parallèle à la surface de l'obstacle statique 830, ces deux courbes ayant
toutes
les deux un rayon de courbure R1 constant. Grâce à cette configuration, les
trajectoires du fluide et des agrégats qu'il transporte ne rencontrent pas
d'obstacle.
Parallèlement à l'axe 810, ces deux courbes sont distantes de
quelques dizaines de millimètres, cette distance étant notée D'. Elle est
choisie
en relation avec la dimension de l'agitateur parallèlement à l'axe 810, par
exemple la hauteur D représentée en figure 11, de manière que, au vu de cette
dimension de l'agitateur, celui-ci ne soit pas disposé trop loin de l'obstacle
statique 830, garantissant ainsi l'effet de synergie qui existe du fait de
l'adaptions de leurs dimensionnements réciproques et qui se manifeste par
l'absence de flux à contre-courant dans le prolongement de l'axe de
l'agitateur.
La figure 13 montre les excellents résultats obtenus avec le dispositif
statique 830 et l'agitateur 800 mis en oeuvre dans le tube guide-flux 210 de
la
cuve 200. La figure présente les vecteurs vitesses du fluide, et on constate
que
celui-ci en tout point tangente par sa trajectoire les surfaces qu'il
rencontre.
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La figure 14 présente la surface isobares du fluide de la figure 14
pour la valeur de pression égale à -100 Pa. On constate que cette surface
isobare n'est présente que dans le tube guide-flux et au-dessus de celui-ci.
Par
rapport à la représentation de la figure 4, on constate notamment la
disparition
de l'anneau entourant le dispositif statique et des vortex s'étendant de
l'agitateur vers le bas de la cuve.
Les figures 15 à 17 représentent un autre mode de réalisation d'un
dispositif de mise en contact d'une espèce liquide et d'une espèce solide
particulaire en croissance.
Les éléments similaires à ceux du premier mode de réalisation sont
désignés par des signes de référence qui se déduisent de ceux utilisés pour ce
premier mode de réalisation par addition du nombre 100.
Ce dispositif comporte ainsi une cuve munie d'un agitateur 900 à
pales 920 et d'un obstacle statique 930 disposé dans le prolongement de l'axe
de celui-ci, en aval de celui-ci (en pratique à un niveau plus bas, puisque,
dans
les exemples ici représentés, l'écoulement engendré par l'agitateur est vers
le
fond). Cet agitateur 900 peut être entouré, comme précédemment, par un tube
guide-flux 210; on peut toutefois noter que cet agitateur ne déborde pas du
tube guide-flux. On peut en outre noter que le tube guide-flux est ici
représenté
avec des parois verticales qui sont en saillie vis-à-vis de sa surface
verticale
externe (qui contribuent à assurer un bon écoulement linéaire vers le haut, à
l'extérieur de ce tube).
Comme précédemment, les pales 920 ont un angle d'attaque qui, au
moins aux extrémités est de l'ordre de 450 (ici de 43 ). Toutefois, à la
différence
des pales 820, ces pales 920 ne sont pas vrillées mais comportent des lignes
de pliure transversales à l'axe (mais non perpendiculaires à celles-ci ni
coplanaires avec l'axe), séparant des portions planes haute (amont) et basse
(aval), la partie haute (contribuant à définir l'angle d'attaque notamment en
extrémité distale) ayant une pente plus faible par rapport à l'axe que la
partie
basse (par laquelle ces pales sont fixées à l'axe, plus précisément à un moyeu
910A de montage sur l'axe).
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Ces pales sont ici au nombre de six et, en projection dans un plan
transversal à l'axe se recouvrent l'une l'autre, donnant un taux de
recouvrement
de l'ordre de 110%, ce qui contribue à assurer un bon entraînement du flux.
D'autres nombres de pales peuvent être choisis, de préférence mais
pas nécessairement pairs, avec un angle d'attaque de préférence compris entre
350 et 55 .
Comme précédemment l'agitateur (c'est aussi le cas du tube guide-
flux) coiffe l'obstacle statique, c'est-à-dire que la partie la plus basse des
pales
(auprès de leurs extrémités distales) descendent à proximité immédiate de la
partie la plus haute de l'obstacle statique (sa partie centrale), voire plus
bas
(voir la figure 16). On peut noter que, dans ce mode de réalisation aussi,
l'obstacle statique et l'agitateur sont, au moins en un point, éloignés
longitudinalement d'une distance inférieure à la dimension longitudinale de
l'agitateur.
Alors que l'obstacle statique 830 a, de manière précise, une forme
de révolution autour de l'axe, l'obstacle statique a la forme d'une pyramide,
avec des facettes qui sont avantageusement identiques, ce qui correspond à
une symétrie axiale. Plus précisément cet obstacle 930 est une pyramide à
quatre facettes 934 séparées par des arêtes 936, d'où un contour carré à sa
jonction au fond de la cuve. Toutefois, comme précédemment, cet obstacle a,
en coupe axiale, une concavité orientée vers le haut et à l'opposé de l'axe ;
cette concavité est en outre, comme dans le premier mode de réalisation,
constante avec un rayon de courbure qui est constant depuis le sommet jusqu'à
proximité du fond.
De manière préférée, les facettes de la pyramide sont des portions
de cylindre au sens mathématique du terme, c'est-à-dire qu'elles sont formées
par une ligne droite (horizontale c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe) se
déplaçant parallèlement à elle-même le long d'une génératrice (à savoir la
ligne
de plus grande pente, en coupe axiale). En variante, ces facettes peuvent
avoir
une double courbure, par exemple concave vers le haut et l'opposé de l'axe en
coupe axiale et convexe en coupe transversale ; on comprend toutefois que la
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configuration représentée peut être plus simple à réaliser qu'une telle
configuration à double courbure.
Ce rayon de courbure de l'obstacle statique dans un plan
comprenant l'axe est ici aussi compris entre le quart d'une dimension
transversale de référence de la cuve et une fois et demie ladite dimension
transversale de référence de la cuve.
On peut vérifier qu'ici aussi (voir la figure 15), la valeur maximale de
la dimension transversale externe de l'obstacle statique (diagonale de la
section
carrée à proximité du fond) est au moins égale à la dimension transversale
maximale de l'agitateur et/ou du tube guide-flux lorsqu'il existe ; de même,
la
dimension axiale de l'obstacle statique (sa hauteur) est au plus égale à la
moitié
de la valeur maximale de ladite dimension transversale externe (en fait, dans
l'exemple représenté, cette dimension axiale est même au plus égale à la
moitié du côté 938 de cet obstacle statique à proximité du fond (voir la
figure
16).
Comme précédemment, on peut noter que la surface externe de
l'obstacle statique a, dans un plan quelconque passant par l'axe (voir
notamment la figure 16), une inclinaison moyenne d'au moins 45 par rapport à
cet axe.
De même, la surface externe de l'obstacle statique se raccorde au
fond de la cuve, ici aussi, de manière au moins approximativement tangente,
avec un angle ici d'au plus 15 (l'angle de raccordement au fond est ici
sensiblement plus faible que pour l'obstacle 830).
En variante non représentée, la forme incurvée vers le haut et à
l'opposé de l'axe peut être approximée par une succession axiale de portions
de pentes constantes, ces pentes augmentant d'une portion à l'autre en
s'éloignant de l'agitateur.
Par analogie avec l'obstacle 830, l'obstacle statique peut
comprendre des nervures le long de sa surface externe.
Toutefois, de manière avantageuse, on peut renoncer à de telles
nervures sur la surface externe de l'obstacle dans le cas d'une telle pyramide
formée d'une succession circonférentielle de facettes séparées par des arêtes,
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tout en en disposant le long de la surface du fond de la cuve. De telles
nervures
932 sont avantageusement disposées dans le prolongement d'au moins
certaines des arêtes de la pyramide, de préférence dans le prolongement de
chacune d'entre elles (avec une éventuelle courbure en s'éloignant de cet
obstacle). Ces nervures sont avantageusement fixées à l'obstacle statique.
Ces nervures peuvent s'étendre depuis les coins de l'obstacle
statique jusqu'aux coins du fond de la cuve, contribuant ainsi à un
positionnement aisé de cet obstacle vis-à-vis de ce fond. En outre ces
nervures
peuvent être à la fois fixées à l'obstacle statique et au fond de la cuve, ce
qui
contribue à renforcer la fixation de cet obstacle au fond de la cuve.
A titre d'exemple pour une cuve de fond carré de 2 m de côté et 2 m
de hauteur, l'obstacle statique de base carrée a 1 m de côté le long du fond
et
une hauteur de 35 cm (le rayon de courbure supposé constant s'en déduit).
L'invention peut être mise en oeuvre sans guide-flux, dans une cuve
ayant une base dont les dimensions sont grandes par rapport au diamètre des
pales de l'agitateur, ou avec un agitateur à pales adapté à exercer une
poussée
dont la composante longitudinale est nettement plus grande que la composante
radiale.
Le mode de réalisation qui a été présenté utilise une cuve 200 de
base carrée. Mais si la base de la cuve 200 est un cercle, la dimension
transversale de référence à utiliser pour le dimensionnement de l'agitateur
800
ou 900 et de l'obstacle statique 830 ou 930 est le diamètre de la base de la
cuve. Si la base de la cuve est un rectangle, alors c'est le petit côté de
celui-ci.
Si la base de la cuve est un polygone, on privilégiera le diamètre hydraulique
de
celui-ci.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés mais
s'étend à l'ensemble des variantes à la portée de l'homme du métier dans le
cadre des revendications principales ; en particulier des caractéristiques des
deux modes de réalisation qui ont été décrits peuvent être combinées.
