Séparateur à force centrifuge.
Dans les séparateurs à force centrifuge servant à la séparation des mélanges physiques de gaz et de particules solides ou liquides, la partie du flux giratoire dans lequel le moment de vitesse du gaz à son entrée est maintenu à peu près constant jusqu'à la zone de sortie par une détermination exacte des conditions d'entrée et de sortie, présente une importance particulière pour le pouvoir séparateur de l'appareil.
Dans la théorie des fluides parfaits un exemple hydrodynamique idéal de ce mode d'action existe dans les appareils
dits à tourbillonnement descendant. Une chambre de centrifugation ou de précipitation atteindra d'autant mieux son rendement optimum, qu'on arrivera à réaliser, même pour des fluides soumis à des frottements, la constance du moment de vitesse du flux.
La.présente invention se rapporte en premier lieu à des mesures permettant de réduire l'influence nuisible des frottements dans les séparateurs centrifuges et de se rapprocher des conditions du courant idéal de tourbillonnement descendant.
En outre, l'invention concerne les mesures qui doivent être prises dans les chambres de centrifugation pour obtenir le rendement optimum de plusieurs chambres couplées en parallèle, même lorsqu'elles possèdent une chambre collectrice de poussières commune. On a notamment constaté que les chambres de centrifugation qui présentent en elles-mêmes un bon degré de séparation, subissent un affaiblissement de leur rendement lorsqu'on les réunit en un groupe avec chambre de dépôt des poussières commune, parce qu'elles
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ration a été effectuée .dans l'une des chambres de centrifugation s'introduisant dans la chambre voisine d'où il est entraîné par
le courant d'air frais.
Suivant l'invention, on évite l'action perturbatrice entre les différentes chambres de centrifugation ou cellules de cyclone raccordées entre elles pour former un groupe, en donnant à l'ouverture de sortie des poussières ménagée de préférence dans l'angle entre la paroi de la chambre et le fond ou le dessus de celle-ci, par exemple dans la paroi cylindrique de la chambre,
ou à la somme des ouvertures de sortie pratiquées à l'une des extrémités ou aux deux extrémités de chacune des chambres de centrifugation, une section totale inférieure au cinquième de la section d'entrée du gaz dans ces chambres de centrifugation et en lui assurant un angle au centre inférieur à 3600 vu dans le sens
de l'axe de la chambre.
L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus dé-
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matiquement et généralement en coupe quelques appareils de type connu ainsi que des exemples d'exécution suivant la présente invention.
Fig. 1 représente en coupe axiale une chambre de centrifugation suivant l'invention. Fig. 2 est une coupe perpendiculaire à l'axe suivant la. ligne II-II de la fig.l, Fig. 3 est une vue de côté d'un noyau de tourbillonnement solide, rotatif. Fig. 4 est une coupe transversale à travers le noyau de tourbillonnement de la fig.3 avec les vecteurs de vitesse. Figs. 5 et 6 représentent respectivement en coupe verticale et en plan un groupe comportant trois chambres ou cellules distinctes pourvues d'ouvertures de sortie des poussières pratiquées dans le fond. Figs. 7 et 8 représentent respectivement une coupe verticale et une coupe horizontale à travers une partie d'un groupe cyclone, dont les chambres ou cellules présentent une fente annulaire pour la matière qu'il s'agit de précipiter.
Figs. 9 et 10 représentent une coupe verticale et une coupe horizontale à travers un groupe cyclone à trois cellules, suivant l'invention.
Dans le séparateur à force centrifuge représenté sur les figs. 1 et 2, l'arrivée du mélange dont il s'agit de provoquer la séparation (air brut) se fait dans la chambre.de centrifugation 1 par les tubulures d'entrée tangentielles 2. L'air pur débarrassé des impuretés quitte la chambre de centrifugation 1 par la tubulure de sortie 4 ménagée dans le plafond 5 de la chambre. Le séparateur centrifuge est aménagé de telle manière que le courant circulaire qui y est engendré répond d'une façon générale aux conditions connues assurant le maintien du moment de la vitesse.
Près du bord supérieur�et du bord inférieur de la paroi du récipient cylindrique 1, sont ménagés des orifices de sortie 5 et 6 à travers lesquels la matière dont on veut provoquer
la séparation passe dans une chambre collectrice de poussières, non représentée.
La section transversale d'entrée fe = B.S. pour l'arrivée tangentielle du mélange à traiter présente un rayon moyen re;
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dessus décrite fe est ve.
Dans l'hypothèse émise précédemment le moment de la vitesse r.v. doit rester pendant le parcours ultérieur du flux égal à r2.v2, jusqu'à ce que le gaz épuré dans la zone axiale de sortie quitte la chambre 1 par la tubulure d'échappement centrale 4 de
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Dans la chambre de centrifugation 1, on distingue deux zones principales du parcours du flux:
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diculaires à l'axe à travers le côte étroit de la section d'admission f2 et la zone de sortie dans le voisinage d'un cylindre projetant axialement l'orifice d'échappement central et constituant donc le prolongement de la tubulure d'échappement 4 vers le bas.
Dans la zone d'entrée le courant de gaz brut qu'il s'agit d'épurer s'écoule en majeure.partie dans les plans perpen-
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dans la zone de sortie, il vient encore s'ajouter au courant giratoire généralement perpendiculaire à l'axe, une forte composante axiale déterminant l'évacuation ainsi que l'indiquent les flèches
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Dans unsemblable courant il se forme un noyau rempli
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dynamiques connues et dont le contenu, -même dans le cas idéal d'un fluide parfait, ne répond plus à la loi r.v.= constante.
Pour obtenir une bonne action séparatrice dans la chambre de centrifugation, il est important de donner une valeur favorable au rapport ra et celle-ci sera atteinte d'autant plus tôt
r
que le courant giratoire réel se rapprochera plus du courant idéal à moment de vitesse constant.
Par suite des frottements provenant principalement de la paroi de la chambre de centrifugation, le noyau de tourbillonnement peut, en se rétrécissant graduellement, s'étendre dans une direction axiale notablement au-delà de la zone d'entrée. Le prolongement au-delà du bord inférieur de la tubulure d'échappement 4
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tance dans le cas considéré ici. Par contre, le comportement du noyau de tourbillonnement du côté du fond 7 de la chambre de
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Une mesure connue pour obtenir un courant giratoire approprié dans les séparateurs à force centrifuge réside dans la disposition d'un noyau de tourbillonnement solide rotatif d'un diamè-
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car dans son ambiance fluide un courant giratoire s'établit exactement suivant la loi r.v = constante.
Comme on le sait Inaction d'un semblable noyau rotatif sur son ambiance fluide est notablement augmentée dans le sens voulu par la disposition de surfaces perpendiculaires à l'axe, ainsi que c'est connu dans la théorie et dans la pratique du rotor Flettner.
Si l'on applique la théorie du rotor Flettner (v.fig.3) à un cyclone, le frottement provoqué par le liquide qui s'échappe axialement le long du noyau de tourbillonnement rigide rotatif est encore indésirable et nuisible au courant giratoire de même que préjudiciable à l'établissement de la constance du moment de la vitesse. Pour ces raisons, un noyau de tourbillonnement rigide rotatif présente des inconvénients qui sont évites suivant l'invention par le fait que l'espace interne du noyau, d'un diamètre de 2 ri reste rempli de fluide.
Si les conditions de la formation d'un noyau de tourbillonnement potentiel de diamètre-:2 ri sont satisfaites en pratique, la présente invention, en se basant sur la théorie et la pratique du rotor Flettner, tend à limiter aussi ce noyau fluide rotatif, du moins du côté de la chambre de centrifugation tourné vers l'orifice d'évacuation, par une surface transversale de préférence plane, le fond 7 de la chambre de centrifugation cy-lindrique 1 pouvant particulièrement convenir dans ce but.
Il existe des conditions spéciales pour déterminer la position du fond à l'intérieur de la. chambre de centrifugation cylindrique ou, en d'autres termes, pour déterminer la longueur de cette chambre. Des calculs théoriques et des essais pratiques ont montré que la surface limitant le noyau de tourbillonnement à la partie inférieure, donc en particulier le fond 7, doit être éloigné de la zone d'entrée d'une quantité telle qu'en outre du flux tourbillonnant situé au-dessus de la surface 7, la composante radiale de la vitesse du courant peut être abaissée sensiblement
(v.fig.4.) de sorte qu'il existe en cet endroit pratiquement qu'un seul courant giratoire U (v.fig.l) en dehors du noyau de tourbillonnement.
<EMI ID=13.1> à l'axe) en vertu des lois hydrodynamiques connues des courants de tourbillonnement, lorsque le moment de vitesse constant le plus avantageux pour la séparation doit être maintenu dans la chambre, les conditions servant à assurer une longueur suffisante au noyau peuvent s'exprimer également de telle façon que le fond 7 ou en général la surface transversale d'extrémité doit se trouver au
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sortie ou le bord inférieur de la tubulure d'échappement 4, c'est-
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qui passe par le fond 7, à savoir la hauteur h, doit être
h = 6 ri
lorsqu'on désire obtenir une action séparatrice optimum.
Une certaine quantité de matière séparée se rassemble
dans l'espace angulaire entre la paroi cylindrique de la chambre 1 et le fond supérieur 3 de cette dernière, où elle est soumise dans une importante mesure au danger d'être entraînée dans la tubulure
de sortie du gaz épuré 4, parce que le moment de vitesse est freiné à proximité de la paroi et que par conséquent la force centrifuge y est réduite.
Cette accumulation de matière séparée dans l'espace mentionné se produit particulièrement lorsque, comme le montre la fig.l, le fond supérieur 3 de la chambre est situé au-delà de la zone d'en-
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calaire rempli de gaz est d'autre part avantageux pour remplacer le frottement superficiel du courant de gaz brut sur le couvercle 3 de la chambre par un frottement entre fluides, en vue de maintenir le moment de vitesse re.ve. Pour cette raison, il est avantageux de donner à l'orifice de sortie la forme d'une tubulure d'échappement et de laisser celle-ci s'avancer à l'intérieur de la chambre 1 d'une
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mitent la largeur B de l'orifice d'entrée. Dans ce cas, il existe un matelas d'air suffisamment épais entre le couvercle 3 de la chambre et le point de décharge de l'air épuré, de sorte que la force centrifuge à l'endroit critique (dans l'espace entre les plans
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plètement fluide, pour que la matière séparée ne pénètre plus dans la tubulure de sortie d'air propre 4.
La caractéristique de l'invention consistant à fixer
la zone utilisable d'un noyau fluide de tourbillonnement potentiel
à ses deux extrémités, ou du moins du côté correspondant a l'orifice de sortie du gaz épuré, par une surface transversale de délimitation dont la distance de l'orifice d'échappement dépend de la manière indiquée du diamètre 2 ri du noyau même, est particulièrement avantageux dans une chambre de centrifugation, qui par ailleurs remplit pratiquement la condition d'un courant à moment de vitesse r.v. constant, car on .évite ainsi que des particules animées d'un mouvement ascendant dans le courant tourbillonnant ne parviennent dans une zone où la vitesse possède encore des composantes radiales dirigées de l'extérieur vers l'intérieur (v. les flèches 8 de la fig.l).
Lorsque les dimensions de la chambre de centrifugation ont été établies suivant l'invention, les particules qu'il s'agit de séparer se trouvent dès leur arrivée immédiatement au-dessus du plan F4 du fond 7 de la chambre dans le champ d'activité du courant giratoire U, étant donné que dans le voisinage de la surface du noyau un courant à moment de vitesse constant (r.v.= constante) est particulièrement efficace et refoule donc les particules impérativement vers l'extérieur sur la paroi de la chambre de centrifugation, d'où elles se dirigent finalement dans les orifices de décharge de poussières 5 et 6 pratiqués dans la paroi du cylindre 1.
En vue de simplifier et de rendre peu coûteuse la cons-
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cyclones individuels, .il est désirable de'se servir de manière connue d'une chambre de dépôt commune à plusieurs cyclones afin de pouvoir opérer plus aisément la Vidange de l'appareil. Les chambres de centrifugation des différents cyclones communiquent alors avec la chambre de dépôt commune par des orifices d'évacuation des poussières, ayant la forme d'une rainure annulaire
ou de petits trous pratiqués dans la paroi de la chambre de centrifugation ou dans le fond de celle-ci, un courant dé gaz partiel pouvant en outre être soutiré de la chambre de d:épôt pour assurer l'évacuation des poussières à travers ces orifices d'évacuation.
A la suite de nombreux essais et épreuves, on a constaté que dans les groupes cyclones connus de ce genre, d'importantes perturbations peuvent se produire dans la marche de l'opération de séparation et donner lieu par conséquent à une réduction du rendement du groupe cyclone par la présence de courants secondaires accidentels et non contrôlables dans la chambre de dépôt commune ou à travers les orifices d'évacuation des poussières.
Les figs. 5 et 6, représentent en coupe verticale et en plan un groupe composé de trois cyclones de la construction usuelle la plus simple, avec chambre de dépôt commune, dans lequel le gaz brut pénètre tangentiellement dans les trois chambres de centrifugation cylindriques 11, d'où le gaz plus ou moins débarrassé des impuretés qui y sont mélangées s'échappe par les tubulures d'évacuation axiales 12 débouchant dans une conduite commune d'air épuré 13. La matière séparée qui est projetée par la force centrifuge sur la paroi de la chambre de centrifugation doit être dirigée par les ajutages coniques 14 de cette dernière de haut
en bas et dans le voisinage de l'axe, pour arriver par l'ouverture 15 dans la chambre de dépôt commune 16.
Un seul cyclone du type représenté sur les figs. 5 et
6 peut, pour de faibles dimensions, satisfaire incontestablement aux conditions déterminées auxquelles doit répondre le rendement. Mais lorsque plusieurs cyclones de ce genre sont réunis pour former un groupe, de petites différences dans les résistances des courants d'entrée et de sortie des différentes chambres de cen-
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ces de pression qui provoquent des retours de courant, comme c'est indiqué par la flèche 17 dans le cyclone situé du côté droit sur
la fig.5.
Si l'on veut éviter l'affaiblissement du rendement total de la séparation qui en résulte, en soutirant de la manière connue de la chambre de dépôt commune 16 un courant partiel, notamment par la conduite 18, la disposition axiale de l'orifice d'évacuation des poussières 15 se révèle être très nuisible, car il règne comme on le sait dans le voisinage de l'axe du cyclone de fortes dépressions, de telle sorte qu'un courant partiel important doit être retiré par la conduite 18 pour créer à tous les orifices d�acuation de poussières 15 une chute d'évacuation nettement positive. Il en résulte une diminution correspondante de la quantité de gaz épuré réellement disponible, par rapport à la quantité de gaz brut amenée au groupe cyclone.
Dans le groupe cyclone des figs. 7 et 8 on n'a représenté qu'une seule des chambres de centrifugation cylindriques 19 disposées dans la chambre de dépôt de poussières commune 16. L'orifice d'évacuation des poussières de la chambre de centrifugation 19, pourvue à la même hauteur d'une conduite d'admission tangentielle
20, de gaz brut y est aménagé de la manière connue à l'extrémité inférieure de la paroi de la chambre de centrifugation, cette dernière étant fermée à sa partie inférieure par la plaque transver-
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annulaire 22.
La pression qui règne dans la chambre de dépôt 16 ne doit pas nécessairement dans cette disposition être abaissée à un degré aussi bas que dans le groupe des figs. 5 et 6 avec orifices d'évacuation des poussières 15 à proximité de l'axe. Par contre, la disposition suivant les figs. 7 et 8 présente une autre propriété nuisible.
Par suite du frottement sur la paroi et aussi par suite de la proximité de l'axe, la pression tombe à partir de la section d'entrée 23 le long de la paroi de la chambre de centrifugation. La chute de pression jusqu'à la chambre de dépôt 16 n'est donc pas la même en tous les points de la rainure annulaire 22. Il peut au contraire se produire très facilement en cet endroit, comme des essais soigneusement conduits l'ont montré, des retours de courant partiels de la chambre de dépôt dans la chambre de centrifugation, ainsi que l'indique la flèche 24 sur la fig.8.
Cette propriété très préjudiciable des cyclones à rainure d'évacuation annulaire ne peut, elle aussi, être compensée que par de très fortes aspirations dans la chambre de dépôt, ce qui n'est pas économique déjà en raison du traitement subséquent du courant partiel aspiré.
De nombreux essais ont prouvé que pour éviter l'inconvénient signalé dans les groupes cyclones à cellules ou compartiments séparés de la forme de construction connue représentée .sur
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tion des poussières ou la somme des orifices d'évacuation), des poussières qui sont aménagées à l'une des extrémités ou aux deux extrémités de la chambre de centrifugation, de préférence dans l'angle entre la paroi et le fond du couvercle de la chambre, doit avoir dans chacune des chambres de centrifugation distinctes au total une section plus petite que le cinquième de la section transversale d'entrée du gaz brut dans la chambre de centrifugation..
Dans les rainures annulaires du genre indiqué sur les figs. 7 et 8, la largeur de la rainure, lorsque la section trans- versale des orifices d'évacuation des poussières est limitée comme il est mentionné ci-dessus, devient si petite qu'on se heurte
non seulement à des difficultés d'exécution mais également au danger d'obstructions au cours du fonctionnement et notamment lorsque, pour une raison quelconque, de l'humidité se condense
à l'intérieur de la chambre de centrifugation.
Suivant l'invention les inconvénients indiqués sont évités dans les cyclones à orifices d'évacuation des poussières en forme de trous ou de rainure annulaire, par l'exécution de ceux-
ci sous forme de passages pratiqués dans la paroi cylindrique de la chambre de centrifugation ou dans l'angle entre la paroi et le fond de cette chambre et de telle façon que l'ouverture de sortie ou
la somme des ouvertures de sortie de la matière séparée de-chacune des chambres de centrifugation distinctes présente au total une section transversale plus petite que le cinquième de la section transversale de l'entrée du gaz brut dans la chambre de centrifugation et embrasse, en regardant dans le sens de l'axe de cette chambre, un angle au centre inférieur à 360[deg.].
De préférence, les orifices d'évacuation sont aménagés dans la partie de la périphérie où les flèches représentées sur
la fig.8 sont dirigées de l'intérieur de la chambre de centrifugation vers l'extérieur, c'est-à-dire dans la zone des flèches 29.
Si les orifices d'évacuation des poussières sont établis suivant les principes'mentionnas ici, un faible soutirage partiel de la chambre de dépôt commune ou son équivalent suffit déjà, comme l'ont montré les essais, pour obtenir aux orifices d'évacuation de poussières de tous les cyclones une'hauteur
de chute nettement positive pour assurer l'évacuation.
Les figs. 9 et 10 représentent schématiquement et à titre d'exemple un groupe de trois cyclones, couplés en parallèle, suivant l'invention, avec chambre de dépôt commune. Le gaz brut est introduit tangentiellement par les conduits 25 dans les trois
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vertures centrales 27 des couvercles des chambres de centrifugation dans la conduite collectrice de gaz épuré commune 13. La matière séparée projetée sur la paroi des chambres de centrifugation peut passer par les trois orifices d'évacuation des poussières 28, disposés l'un au-dessus de l'autre, dans la chambre de dépôt des poussières 16.
Ainsi que le montre le dessin, les orifices d'évacuation des poussières 28 présentent dans leur ensemble une surface inférieure au cinquième de la section d'entrée du gaz brut 30 dans la chambre de centrifugation (v.Fig.9) et embrassent un
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Lorsque les orifices d'évacuation des poussières présentent les dimensions définies suivant la présente invention, un courant partiel relativement faible, soutiré de la chambre de dépôt 16 par la tubulure 18 - d'après les essais il s'agit ici
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les cellules de cyclone - suffit pour obtenir avec certitude à tous les :;.orifices d'évacuation 28 une hauteur de chute nettement positive pour l'évacuation et empêcher sûrement tout retour de
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Il résulte des considérations émises au début que les chambres de centrifugation 26 doivent de préférence présenter les' dimensions indiquées sur la fig.l en ce qui concerne la distance du fond de la chambre de centrifugation au bord inférieur de la tubulure d'échappement et l'écart entre les plans de délimitation
<EMI ID=29.1> déterminent le rendement absolu de chacune des cellules de cyclone distinctes, tandis que les dimensions indiquées des orifices d'évacuation des poussières ou de la somme des orifices d'évacuation des poussières de chacune des cellules de cyclone doivent être déterminés de manière que le rendement réalisable pour une cellule de cyclone distincte ne peut subir de préjudice du fait de la réunion des cellules de cyclone distinctes en un groupe avec chambre de dépôt commune.
REVENDICATIONS
1.- Séparateur de poussières à force centrifuge pour séparer les éléments solides ou liquides des gaz, mélanges gazeux ou vapeurs, dans la chambre de centrifugation duquel un courant giratoire a moment de vitesse approximativement constant est provoqué entre l'entrée tangentielle du gaz brut et la sortie axiale du gaz épuré, caractérisé en ce que le noyau de tourbillonnement, qui est engendré dans la chambre de centrifugation
et dont le diamètre 2 ri est susceptible d'être déterminé par
le calcul , à l'intérieur duquel le courant ne suit plus la condition de la constance du moment de vitesse, est limité par une surface de préférence plane, perpendiculaire à l'axe de la chambre de précipitation, et séparée du plan de la sortie du gaz épuré ou du plan passant par le bord inférieur de la tubulure d'échappement du gaz épuré par une distance égale au moins à 6 ri.
2.- Séparateur de poussières à force centrifuge suivant