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MACHINES ET METHODES DE CENTRIFUGATION.
L'invention concerne généralement les machines centrifugés du ty- pe convenant pour la séparation et la décharge continues de constituants sô- lides à partir d'une matière alimentaire fluide contenant des solides,en sus- pension. L'invention a trait également aux méthodes de séparation centrifuge pouvant être exécutées à l'aide des dits machinesa
Plus spécialement, l'invention a trait à des machines centrifuges à circuit de retour continu, dans lesquelles une partie de l'écoulement in- férieur ou sub-écoulement séparé est continuellement ramenée dans le rotor de la centrifuge en vue d'être re-déchargée à travers les ajutages de sub- écoulement, avec des moyens propres à permettre la récupération efficiente des;
matières solubles du liquide alimentaire, ainsi que la séparation des solides.
Les premières propositions actuellement connues pour des machines centrifuges prévoyant le retour d'un sub-écoulement, sont divulguées dans le brevet suédois n 25.442 de 1907 et dans le brevet anglais correspondant n 10.314 de'1908. Dans chacun de ces brevets on a montré une réalisation avec des tubes de retour à parois convergentes, relativement larges, se dé- chargeant aux entrée des ajutages du rotor, et dans une autre réalisation de tels tubes sont représentés se déchargeant entre les ajutages. Aucune tentative n'est faite pour récupérer les matières solubles dans le liquide alimentairee, et l'objet indiqué de ces brevets était de prévoir des machines centrifuges de séparation de solides dans des liquides, pourvues de moyens destinés à prévenir l'obstruction des ajutages de décharge.
Les structuress de ces machines sont telles, que le mélange de liquide alimentaire avec le sub-écoulement ramené, a nécessairement pour résultat une perte substantielle de matières solubles de même qu'une séparation inefficace des matières soli- des. Le seul contrôle mentionné, mais sans divulgation de méthode, est le maintien d'une valeur totale sensiblement constante de solides déchargés et de fluides ramenés indépendamment de la variation dans les quantités de soli- des séparés. Des essais ont montré que de larges tubes d'alimentation de
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retour à parois convergentes s'obstruent aisément, en particulier avec une forte alimentation de retour de sub-écoulement.
Aucune zone de dépôt n'est indiquée entre les disques et la périphérie du bol, et l'agencement général est très inefficient, bien que les brevets soient détenus par les plus anciens fabricants, hautement qualifiés, de machines centrifuges continues sans re- tour. Si de telles machines ont été construites,elles ne sont pas devenues d'un usage industriel généralisé, et jusque tout récemment, le détenteur des brevets n'á fabriqué que des machines centrifuges continues du type sans re- tour.
Les premières centrifuges industrielles intéressantes du type à retour prévoyant une récupération très efficace des solubles et la séparation de solides ont été vendues sous le nom de machines "MERCO" et sont apparues sur le marché de longues années plus tard. Ces machines étaient fabriquées suivant les brevets des E.U.A. 1.847.751; 1.923.454 et 1.954.786. Dans ces machines on avait prévu un contrôle très efficace de la fonction importante- de séparer le liquide alimentaire originaire des solides déchargés pour assu- rer la récupération des matières solubles.
Le brevet des E.U.A. 1.847.751 illustre la première machine industrielle de ce genre utilisant des tubes de circuit de retour, qui se déchargearent uniquement aux entrées des aju- tages du bol du rotor. Les tubes de retour ont été perfectionnés à une date plus récente par un impulseur de retour conformé en cône, pourvu de pâles d'impulseur s'étendant de la surface conique inférieure de l'impulseur jusqu'à la section conique inférieure du bol, et distribuant l'alimentation de re- tour autour de la périphérie de décharge du bol, comme illustré par exemple dans le brevet des E.U.A. 1.945.786. Ces machines et les machines "MERCO" sans tubes, postérieures, telles que montrées par les brevets des E.U.A.
2.013.668 et 2.060.239, utilisept un rotor qui comporte des moyens pour in- troduire de la matière alimentaire fluide dans la chambre de séparation, une lèvre de trop-plein pour décharger le trop-plein séparé par centrifuga- tion, et des ajutages de décharge de sub-écoulement montés sur la portion marginale périphérique du rotor.
Le rotor est également pourvu d'un impul- seur qui comporte une ouverture qui est disposée axialement et reliée pour décharger des matières dans la partie externe de la chambre centrifuge, par un passage annulaire d'étendue d'écoulement transversale pratiquement uni- forme, distributantt le sub-écoulement ramené dans une chambre dite "à gran- de vitesse", formant la partie externe de la chambre de séparation. L'en= veloppeqqui entoure le rotor est pourvue d'une volute, ou de moyens analogues, pour recueillir le sub-écoulement qui est séparé par centrifugation.
La liai- son d'écoulement à partir de cette volute sert à délivrer une large portion du sub-écoulement, en retour, dans la chambre centrifuge, à travers l'ouver- ture axiale de l'impulseur. Des moyens sont prévus pour introduire du liqui- de de lavage dans le circuit de retour afin de déplacer pratiquement tout le liquide contenu dans l'alimentation dans le trop-plein, avec les ma- tières solubles y contenues. Ceci constitue une opération très importante dénommée "blocage des solubles", et l'amélioration de son efficacité est un objet principal de la présente invention.
Dans certaines conditions opératoires, on observe une tendance, plus aidément décelable dans les machines "MERCO" des plus petites dimensions, au dépôt de-matières solides entre les ajutages de décharge du sub-écoulement.
Après des périodes de fonctionnement, des dépôts de solides du sub-écoulement ont été retrouvés dans la partie externe de la chambre de séparation, dans des régions intermédiaires entre les ajutages de décharge. Ces dépôts attei- gnent fréquemment les proportions de tétraèdres pouvant s'étendre vers l'in- térieur jusqu'aux disques ou plateaux séparateurs. Ces difficultés existent également, plus marquées, dans une machine centrifuge industrielle du type à retour introduite récemment sur le marché, qui utilise une série de tubes pour ramener continuellement de la matière du sub-écoulement.
Dans cette dernière machine,les tubes du circuit de retour s'étendent vers l'extérieur dans la partie inférieure de la chambre de séparation, et se déchargent dans des poches formées aux extrémités d'entrée des ajutages de décharge du sub- écoulement, en vue de prévenir le colmatage ou obstruction des ajutages.
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Pendant le fonctionnement, des solides du sub-écoulement s'accumulent égale- ment dans la partie externe de la chambre de séparation de cette machine, dans des régions intermédiaires entre les extrémités d'entrée des ajutages du sub-écoulement, tandant à former des tétraèdres notables s'étendant à une distance marquée dans la chambre de séparation. Dans les deux types de machines de telles accumulations tendent à limiter la capacité dé sépara- tion, et des colmatages ou obstructions fréquents des ajutages du sub-écou- lement se produisent qui sont attribués à la désintégration de fragments de ces dépôts en plus de ces difficultés, la dernière machine du type à tubes est sujette au colmatage ou obstruction des tubes débitant la matière du. sub=écoulement dans la chambre de séparation.
L'étendue d'emploi ou gamme d'applications industrielles des cen- trifuges à retour continu dépend en partie de leur capacité. La capacité de séparation des machines antérieures pour une matière alimentaire fluide donnée et le rendement désiré de séparation, aussi bien que la quantité de liquide de lavage qui peut être utilisée avec un rotor de dimensions données capable de fonctionnement à une vitesse donnée de rotation, est limitée.
Les tentatives pour amener les machines antérieures au-delà de ces limites en accroissant le taux d'alimentation et la quantité d'eau de lavage, se tra- duisent par une altération sensible du rendement de séparation de machines particulières. Suivant les observations effectuées, la quantité de liquide de lavage frais qui peut être utilisée pendant le fonctionnement de la ma- chine est une mesure définie de la capacité que l'on peut obtenir sans sa- crifier du rendement de séparation. Les limitations quant à la capacité, et la quantité d'eau de lavage qui peut être employée, servent à restreindre l'intervalle d'emploi utile de ces machines centrifuges du type à retour, et dans beaucoup de cas leur application est rendue impraticable pour des raisons économiques.
Conformément, c'est un autre objet essentiel de l'invention de procurer de nouvelles machines centrifuges du type à retour continu évitant les limitations et désavantages précédents des machines à retour antérieures.
Un autre objet encore de l'invention est de prévoir une nouvelle machine centrifuge du type à retour continu qui, pour un diamètre de rotor et une vitesse de rotation donnés, procurera une capacité relativement éle- vée comparativement aux capacités précédemment obtenues avec les machines antérieures
Dans certaines opérations de séparation avec retour, comme par exemple dans la séparation de l'amidon de blé et du gluten, le réglage de l'écoulement de l'alimentation et des liquides de lavage a constitué un pro- blème difficile.
Conformément, c'est un autre objet de l'invention de pré- voir une machine centrifuge perfectionnée du type continu qui permet l'uti- lisation de quantités relativement plus grandes de liquide de lavage dans le circuit de retour du sub-écoulement, avec un rendement élevé de séparation et un réglage perfectionné des quantités d'alimentation et de liquide de la- vage traversant la machine dans l'un et l'autre sens, en même temps qu'un blocage perfectionné des solubles.
Un autre objet encore de l'invention est de prévoir de nouvelles machines centrifuges du type à retour et des méthodes d'utilisation et de con- trôle du retour de la matière du sub-écoulement, grâce auxquelles on peut obtenir des capacités beaucoup plus élevées dans des machines de dimensions données sans sacrifier du rendement de séparation, et dans lequelles le col- matage ou obstruction des ajutages du sub-écoulement est évité ou minimisé.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une machipe centri- fuge du type continu comportant un circuit de retour pour la matière du sub- écoulement, ne nécessitant pas l'utilisation d'un nombre excessif d'ajutages de décharge du sub-écoulement., et qui est par conséquent relativement effi- ciente en ce qui concerne la consommation de puissance.
Un autre objet encore de l'invention est de prévoir une nouvelle méthode de centrifugation, caractérisée par la nouvelle manière dont les conditions de séparation optima sont maintenues dans la chambre de séparation,
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et par la façon dont la matière du sub-écoulement ramenée est utilisée pour minimiser ou prévenir la formation de tétraèdres de matières solides entre les ajutages du sub-écoulement.
Des objets et caractéristiques additionnels de l'invention ressor- tiront de la description qui va suivre, dans laquelle les réalisations pré- férées ont été indiquées en détail en liaison avec les dessins annexés.
Les objets précédents sont réalisés en général par l'emploi de tubes de retour convenablement proportionnés et arrangés qui distribuent le sub-écoulement ramené et le liquide de lavage entre les ajutages du bol, au voisinage de la périphérie du bol, d'une manière et à des vitesses empêchant les accumulations de solides entre les ajutages, minimisant ou éliminant-lé colmatage ou obstruction des ajutages et qui, pour la récupération des solu- bles, déplacent le liquide alimentaire originaire par du liquide de lavage, amenant le liquide alimentaire originaire à passer en sortie dans le trop- plein, le tout avec un degré notablement plus élevé de contrôle et d'effica- cité que ce qu'il a été possible d'atteindre précédemment dans les machines du type à retour.
En réalisant ces résiltats nouveaux perfectionnés et hautement désirables, on a observé que les facteurs ci-après sont en relation entre- eux et d'importance variable : (a) le nombre et l'emplacement de décharge des tubes de retour par rapport aux ajutages du bol, (b) les dimensions des tubes, (c) la hauteur de charge différentielle créée par les diamètres d'en- trée de bol et le diamètre de décharge de trop-plein, relatifs, (d) la vi- tesse, dimensions et forme du bol du rotor, (e) la nature de la séparation désirée, (f) la viscosité et les autres caractéristiques des liquides du pro- cessus, (g) le pourcentage et les caractéristiques physiques des solides du processus et (h) le nombre et les dimensions des ajutages du sub-écoulement, notamment les dimensions et nombre de tubes.
La position correcte de décharge des tubes est importante, et elle sera à peu près exactement à mi-chemin entre des ajutages adjacents du bol pour obtenir les résultats optima. Des tubes légèrement en avant de la position médiane ne sont pas trop désavantageux. Dans une série d'essais exécutés avec un liquide contenant des particules solides d'amidon épuré, formées en bouillie dans de l'eau salée, qui donne généralement des résultats typiques, et avec les décharges des tubes de retour en avant et en arrière de l'emplacement exactement médian entre les ajutages, invariablement le trop- plein contenait considérablement moins de solides avec les tubes se déchar- geant à la position médiane entre les ajutages que lorsqu'ils étaient dépla- cés de cette position médiane.
Une décharge des tubes en arrière de la po- sition médiane s'est avérée très désavantageuse, et légèrement en avant de la position médiane est quelque peu plus mauvaise que dans la position média- ne, mais non trop désavantageuse pour l'emploi. Lorsqu'on s'approche de la position médiane, les résultats du séparateur s'améliorent. Des tubes se déchargennt parallèlement à la périphérie du bol ne sont pas spécialement a- vantageux par rapport à des tubes se déchargeant radialement.
Ces essais montrent que les dimensions de l'intérieur des tubes, où l'étendue de la section droite de ces tubes, sont importantes en relation avec le nombre de tubes utilisé, le volume de fluide passant à travers les tubes,la hauteur de charge différentielle pompant le fluide à travers les tubes et la nature du fluide même. La vitesse de la décharge en jet des tu- bes de retour doit être suffisamment grande pour maintenir le bol, les aju- tages et les tubes mêmes dégagés. Des tubes d'étendue trop large par rapport à l'étendue des ajutages du sub-écoulement se chargent ou se colmatent de solides.
La longueur des tubes peut être modifiée sans affecter de façon désavantageuse la clarification du trop plein dans une mesure notable aussi longtemps que le jeu entre l'extrémité d'un tube et le bol est suffisant pour éviter l'obstruction du tube, et aussi longtemps que la vitesse du jet de décharge est suffisante. Le jeu minimum aux extrémités des tubes sera à peu près équivalent au quart du diamètre de sortie du tube.
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Le nombre de tubes et d'ajutages utilisés peut-être modifié avec avantage,pour différents problèmes de séparation. Bien qu'une grandé lati-' tude de sélection pratique soit permise ';, pour chaque dimension et type de machine on peut choisir un nombre donnant le meilleur fonctionnement d'ensem- ble. Par exemple, pour une grande variation dans les caractéristiques de , la liqueur du processus, on a obtenue le meilleur fonctionnement global avec douze ajutages de bol et douze tubes des dimensions correctes; installés dans une unité "MERCO" de 280 mm de diamètre extérieur avec les hauteurs différen- tielles de pompage standards de cette unité.
Pour certains produits toute- fois un moins grand nombre d'ajutages et de tubes assure une séparation équi- valente avec une plus grande efficacité de consommation d'énergie.
Les perfectionnements réalisés par l'invention, dûs à l'agencement des tubes sont démontrés par le fait que dans des essais comparatifs d'une machine "MERCO" de 535 mm de diamètre, 10 tubes déchargeant entré 10 ajutages de rotor) donnent une clarification considérablement meilleure que des agen- cements à 10 et 20 tubes et ajutages avec les tubes se déchargeant aux entrées des ajutages. Un autre avantage de l'utilisation d'un nombre plus réduit d'ajutages, rendu possible par l'emploi de tubes entre les ajutages en rem- placement de l'impulséur conventionnel antérieur, est que 10 ajutages, avec des tubes entre les ajutages, ne nécessitent qu'environ les deux tiers de la puissance globale exigée dans la même machine par l'agemencement de 20 ajutages ayant même diamètre d'orifice, et tubes.
L'accroissement de l'efficacité volumétrique du bol, dû à l'élimination des accumulations de solides entre les ajutages du rotor et d'autres facteurs, comme une moindre turbulence dans la présente invention, contribuent au perfectionnement mar- qué mentionné. Ce perfectionnement peut s'exprimer pratiquement par l'ac- croissement substantiel de la densité du sub-écoulement qui est possible avec la même pureté de trop-plein, procuré par des tubes disposés approxima- tivement à mi-chemin entre des ajutages comparativement à des tubes déchargeant à l'emplacement des ajutages.
Par exemple on a obtenu un accroissement dans la capacité d'ali- mentation d'environ 115 à 150 1/m pour la machine "Merco" de 535 mm se tra- duisant par un accroissement d'environ 60 % dans la capacité globale de la machïnea Dans des essais comparatifs à capacités ou taux d'alimentation ,équivalente, et au-dessus de 18 Be pour les densités du sub-écoulement, le trop plein d'une machine avec des tubes de retour déchargeant entre des aju- tages de bol, contenait 1/10 à 1/15 ou moins des solides présents dans le trop=plein de la même machine avec des tubes de retour se déchargeant aux en- trées des ajutages de bol.
Et au-dessus de 18 Be pour les densités du sub- écoulement, une machine "MERCO" de 280 mm avec 3 ajutages de bol et 3 tubes de retour déchargeant entre les ajutages du bol du rotor avait 10 fois la capacité, et en même temps donnait un trop-plein contenant 1/14 à 1/30 des solides du trop plein de la même machine avec des tubes de retour déchargeant aux entrées des ajutages du bol du rotor.
D'autres essais effectués sur des nombres plus grands d'ajutages et de tubes, on% montré des émaliorations marquées analogues dans la récupé- ration des solides, et que l'on pouvait utiliser plus que 5 fois l'alimenta- tion et plus que 7 fois la quantité de liquide de lavage avec la présente invention que dans les machines de 280 mm analogues utilisant 'les impulseurs de retour "MERCO" antérieures, pour donner des valeurs équivalentes de soli- des dans le trop-plein.
En plus des améliorations imprévisibles précédentes dans l'accrois- sement de capacité et la réduction de puissance, et des perfectionnements dans la séparation des solides et la pureté du trop-plein, il s'est produit une amélioration très marquée, et tout à fait inattendue et surprenante, dans la récupération des solubles ou l'efficacité du blocage des solubles en déplaçant les tubes de retour se déchargeant aux entrées des ajutages et les amenant à se décharger à mi-chemin, entre les ajutages, Bien que la clarification du trop-plein avait été trouvée améliorée par l'emploi de tubes déchargeant entre les entrées d'ajutages plutôt qu'aux entrées d'aju -
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tages,
on s'attendait entièrement à ce que des tubes déchargeant aux entrées d'ajutages donneraient un meilleur blocage des solubles que de-tubes se dé- chargeant entre les ajutages. Néanmoins, à tous les taux d'alimentation et de lavage essayés, les tubes entre les ajutages ont donné une meilleure ré- cupération globale des solubles de l'alimentation. Avec 10 tubes déchargeant à mi-chemin entre des ajutages on a obtenu une amélioration très importante . dans la densité du sub-écoulement de 1,4 et 2,5 Bé avec une moyenne de 2 Be pour tous les lavages'et alimentations comparables par rapport à des tubes déchargeant aux entrées d'ajutages.
Vingt tubes déchargeant µ mi-chemin en- tre des ajutages ont donné une amélioration moyenne de 1,2 Bé dans les den- sités du sub-écoulemento
On a également constaté que la "chembre à grande vitesse" dans la périphérie du bol de la machine "Merco" est avantageuse pour le blocage des solubles, mais n'a pas un caractère avantageux aussi marqué pour la clarification du trop-plein, et qu'un écran placé par dessus des tubes pour les séparer de la chambre principale du bol n'assiste pas la clarification du trop-plein, maus aide quelque peu au blocage des solubles.
Se référant maintenant aux dessins :
Fig. 1 est une vue en élévation de côté, en coupe, illustrant une réalisation spécifique de l'invention;
Fig. 2 est une vue en plan schématique, à échelle réduite, illus- trant en particulier une portion d'un circuit de retour pour ramener de la matière du sub-écoulement;
Fig. 3 est un détail en coupe transversale, à échelle agrandie, d'une portion du rotor, et illustre en particulier une partie du circuit de
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retour du sub**écoulementn
Fig. 4 est une coupe en plan d'un quartier du rotor, montrant les ajutages de décharge du sub-écoulement, et les positions occupées par les tubes de retour du sub-écoulement;
Fig. 5 est un développement en coupe transversale, à échelle agran- die, suivant la ligne 5-5 de la figure 3 ;
Fig. 6 est un détail en coupe transversale comme la fig. 3, mais illustrant une autre réalisation de l'invention; Fige 7 est un détail en coupe transversale comme la fig. 3, mais illustrant une autre réalisation de l'invention;
Fig. 8 est un détail en coupe transversale, suivant la ligne 8-8 de la figure 7;
Fig. 9 est un détail en coupe transversale comme la fig. 3, mais illustrant une autre réalisation de l'invention;
Fig. la est un détail en coupe transversale, suivant la ligne 10-10 de la figure 9.
La réalisation de l'invention qui est illustrée dans les figs 1 à 5, comprend un rotor la qui est disposé dans un logement ou enveloppe 11.
Le rotor est porté par l'arbre vertical 12 qui, à son tour, est relié par l'accouplement 13 à l'arbre de commande vertical 14.
Pour la commodité, le rotor 10 est établi à l'aide d'un certain nombre de parties annulaires séparables. Ainsi, les parties de bol tronco- niques, supérieure et inférieure, 16 et 17, sont ajustées entre-elles et maintenues assemblées par l'anneau de verrouillage fileté 18. Les parties 16 et 17 sont établies pour procurer la chambre de séparation interne 19 ayant des sections de paroi externe conique supérieure et inférieure divergeant vers l'extérieur à partir de l'axe de rotation des ajutages de décharge du bol ci-après décrits. Le joint entre ces parties est scellé par des moyens appropriés, tel l'anneau de section circulaire, élastique, 20.
La partie inférieure 17 est pourvue d'un moyen interne tronconique 21, adapté sur
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l'extrémité inférieure de l'arbre 12, et il forme une paroi des passages d'a- limentation pour la chambre de séparation. L'extrémité inférieure de l'arbre
12 est filetée pour recevoir l'écrou 22 et le manchon fileté 23. L'écrou 22 sert à maintenir l'assemblage du bol, et un ensemble d'impulseur, ci-après décrit, à l'arbre 12. Le manchon 23 est pourvu d'une bride afin de procurer une face inférieure du genre plateau, 24, dans le but qui va être explique.,
Afin de procurer des moyens pour la décharge du trop-plein séparé par centrifugation, la section supérieure 16 est pourvue d'un prolongement cylindrique 26, se terminant par une lèvre de trop-plein annulaire 27.
Un organe conique, analogue à un manchon, 28, est disposé dans la section de rotor 16, et il est pourvu d'une portion inférieure évasée 29 recouvrant la portion interne 21 de la section de bol 17. L'organe 28 est pourvu de ner- vures 31 espacées circonférentiellement et s'étendant vers l'intérieur, et les espaces entre ces nervures forment des passages de décharge vers l'exté- rieur 32 pour l'introduction de matières alimentaires.
La matière alimen- taire introduite par les passages 32 pénètre dans la chambre de séparation
19,à une vitesse relativement élevée, à travers l'orifice annulaire 33 voisin de l'extrémité inférieure de la paroi externe inférieure, tronconique, incli- née vers le haut, de la chambre 190
Les nervures extérieures 34 de l'organe 28 servent à maintenir un espacement avec la section de rotor supérieure 16, en permettant ainsi l'écoulement de la matière de trop-plein à la lèvre 27. Les disques d'un empilage séparateur, conformés en cône, espacés, 36, localisés par des ner- vures, 34, présentent des lèvres de décharge horizontales externes ayant un diamètre approximativement égal à celui de l'orifice annulaire d'alimentation 33.
Ceci procure une région de dépôt ou de séparation entourant l'orifice d'alimentation et les bords externes des disques pour la séparation effecti- ve des solides de la matière alimentaire et ppur la séparation de l'alimenta- tion et de la matière ramenée, d'une manière qui ressortira plus complètement de ce qui suit.
La matière du sub-écoulement séparée par centrifugation est déchar- gée du rotor par les ajutages 41, qui sont montés en des points circonféren- tielleinent espacés (figo 4) de la portion marginale périphérique externe 42 du rotor. Les détails de la construction de ces ajutages pourront varier, mais pour réduire la perte de puissance il est désirable qu'ils déchargent la matière en arrière par rapport au sens de rotatione Dans la construction d'ajutage illustrée figure 4, le rotor est pourvu d'ouvertures 43 s'étendant radialement, qui sont filetées pour recevoir les colliers 44. Une buselure 46 est ajustée dans et repose sur un collier 44, et elle forme une monture pour le corps d'un ajutage 41.
Le passage d'écoulement à travers cet ajutage comprend la portion 48 qui s'étend dans une direction radiale, et la partie formant l'orifice 49, qui est dirigée en arrière par rapport au sens de ro- tation.
Dans la disposition de l'invention illustrée par les,figso 1 à 5, les extrémités d'entrée des ajutages 41 communiquent toutes avec un évidement annulaire 51, dénommé "chambre à grande vitesse" qui à son tour, communique par son côté interne, avec la chambre de séparation principale 19. Cette chambre à grande vitesse a, comme indiqué précédemment, été trou- vée avantageuse pour le blocage des solubles, mais elle n'aide pas spéciale- ment la clarification du trop-plein ou la séparation des solides. Comme il est montré en particulier dans la fig. 3, l'évidement annulaire 51 est défini par les surfaces horizontales espacées supérieure et inférieure 52 et 53, et la surface périphérique 54.
Le logement ou enveloppe fixe externe, 11 est de préférence établi à l'aide d'un certain nombre de sections annulaires séparables, comprenant en particulier les parties 56, 57 et 58 (figo 1). La section supérieure 56 forme une volute ou chambre annulaire 59 pour recevoir la matière de trop- plein se déchargeant par dessus la lèvre 27 et comporte les conduits concen- triques 61 et 62, .procurant un passage 63 pour introduire de la matière ali- mentaire dans le puits d'alimentation formé par l'organe 28.
Les sections
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d'enveloppe 57 et 58 sont établies de façon à procurer une chambre annulaire ou volute 64, qui reçoit de la matière de sub-écoulement déchargée des ajuta- ges 41. On peut prévoir des anneaux de remplissage 66 et 67, portés par les sections d'enveloppe 57 et 58, destinés à former entre eux un col annulaire relativement rétréci 68 à travers lequel la matière venant des ajutages pé- nètre dans la volute 64. En maintenant un niveau liquide dans-le passage en col étranglé 68, l'énergie cinétique de la matière de sub-écoulement dé- chargée est en substance transformée en pression statique dans la chambre en volute 64.
Dans la réalisation des figs. 1 à 5, le circuit de retour du sub- écoulement comprend le logement inférieur 77 (fig. 1) formant le passage J d'entrée 78 vers l'ajutage 79. L'entrée 78 est en communication avec l'ex- trémité de décharge du conduit 81 (fig. 2), dont l'extrémité interne se rac- corde tangentiellement à la chambre en volute du sub-écoulement 64. Un con- duit contrôlé par vanne, 82, est prévu pour contrôler l'introduction de li- quide de lavage dans le conduit 81 et l'extraction finale de matières de sub-écoulement est effectuée par le conduit contrôlé par vanne 83.
On prévoit de préférence un organe 84 formant soupape à pointeau: (fig. 1), porté par la tige de manoeuvre filetée 86 qui s'étend à l'extérieur du logement et est pourvue du volant à main de manoeuvre 87, pour contrôler la vitesse du jet de sub-écoulement de retour et du liquide de lavage. En faisant tourner le volant à main 87, on peut faire varier l'étendue d'écou- lement effective dans l'orifice 88 de l'ajutage 79 suivant les besoins pour maintenir la vitesse du jet à la valeur convenable.
Le rotor centrifuge pourvu d'un système ou ensemble impulseur re- çoit la matière déchargée vers le haut à travers léajutage 79. Ce système ou ensemble comprend une pièce d'impulseur conformée en cône, 89, attachée à la partie 17 du rotor, et pourvue d'une ouverture axiale tournée vers le bas 91 alignée avec et située directement au-dessus de l'ajutage 79. Des pales radiales circonférentiellement espacées, 92, communiquent une vitesse de rotation à la matière fluide ramenée, qui est pulsée vers le haut le long de la surface interne conique de la pièce 89 formant une section du bol.
Des tubes de retour 93 (figs. 1 et 3 à 5) sont disposés dans la- partie inférieure de la chambre centrifuge 19, recouvrant la surface conique interne de la section de bol 17. Les extrémités internes inférieures des tubes 93 communiquent avec la chambre d'impulseur et, dans la construction représentée, sont fixées aux manchons 94 qui, à leur tour, sont engagés de façon amovible dans les ouvertures 96 formées dans la section de bol 21.
Des moyens de scellement appropriés, comme un anneau élastique de section circulaire, 97, servent à prévenir les fuites au-delà de chaque manchon.
Les extrémités externes 98 des tubes 93 sont pratiquement exemptes d'obstruc- tion, et déchargent au voisinage de la périphérie externe de la chambre de séparation 19. Comme illustré dans cette réalisation, les tubes sont coudés pour décharger horizontalement et perpendiculairement à la surface 54 dans la chambre à grande vitesse 51, à mi-chemin entre les ajutages 41 comme il- lustré figure 4, et le nombre de tubes est égal au nombre d'ajutages.
Le diamètre des tubes 93 et leurs emplacements constituent une particularité importante de la présente invention. Comme précédemment indi- qué, leur diamètre doit être propre à maintenir une vitesse adéquate à pre- venir le colmatage ou obstruction à l'intérieur des tubes et à prévenir éga- lement l'accumulation de solides entre les ajutages du rotor à la périphérie interne de celui-ci. On obtient des résultats optima lorsque les tubes dé- chargent à mi-chemin entre les ajutages.
On observera qu'à l'aide de la structure telle que jusqu'à présent décrite, la séparation complète entre la matière alimentaire et le sub-écou- lement ramené est maintenue, avec la matière alimentaire pénétrant radiale- ment dans la chambre de séparation principale 19, bien intérieurement aux extrémités de décharge des tubes-93.
Avec douze ajutages et tubes comme illustré dans cette réalisation.
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la distance entre l'extrémité de décharge de chaque tube 93 et les extrémi- tés d'entrée des ajutages voisins est sensiblement moindre que'la distancé radiale de l'axe de rotation à l'extrémité de décharge de chaque tube 93.
Bien qu'un nombre plus grand ou moindre d'ajutages et de tubes puisse être utilise pour des applications particulières comme précédemment indiqué, il' est généralement désirable de maintenir un rapport de l'ordre de l'unité ou moins entre la distance, mesurée suivant la corde, de l'extrémité de déchar- ge d'un tube à l'ajutage voisin, et la distance radiale de l'axe de rotation à l'extrémité de décharge d'un tube.
Un écran ou barrière 101, de préférence de conformation tronconique, disposé entre l'évidement 51 et la partie principale de la chambre de sépara- tion, assiste le blocage des solubles. Avec cette barrière ou écran la com- munication entre l'évidement 51 et la partie principale de la chambre de sé- paration 19 est établie par l'espace annulaire 1040
Une conduite de drainage 106 (figo 1), reliée à l'extrémité infé- rieure de l'enveloppe 11, sert à enlever la matière répandue.
Des tiges de guidage 107 repoussées vers le bas par un ressort de compression 108 facilitent l'assemblage de la machine.
FONCTIONNEMENT. En fonctionnement de la machine illustrée par les figs. 1 à 5, une matière alimentaire appropriée, comme par exemple une liqueur d'ami- don contenant des particulés d'amidon finement divisées, des particules de gluten et des matières solubles, est fournie au passage d'alimentation 63 tandis que la machine est en marche. Dans la chambre de séparation, des for- ces centrifuges agissent sur la matière pour séparer l'amidon du gluten plus léger. Le liquide alimentaire contenant des solubles et du gluten est évacué continuellement sous forme de trop-plein s'établissant par dessus la lèvre 27.
Un sub-écoulement d'amidon séparé et de liquide véhiculaire s'établit par ' les ajutages de décharge 41, remplit la chambre en volute 64 et créé une hau- teur de charge ou pression dans le circuit de retour 81, grâce à quoi une large portion contrôlée de la matière du sub-écoulement est continuellement ramenée au rotor centrifuge. La matière retournée se projette vers le haut à partir de l'orifice de l'ajutage 88, dans la section d'impulseur 89, et elle est alors amenée vers l'extérieur par les tubes 93 pour être finalement déchargée ou débitée dans l'évidement annulaire confiné ou chambre à grande vitesse 51.
Dans une séparation typique d'amidon et de gluten, 85% ou plus de la matière du sub-écoulement déchargée sont continuellement ramenés de cette façon dans le rotor centrifuge, et de'la matière du sub-écoulement se décharge à nouveau par les ajutages 41, ensemble avec des solides nouvel- lement séparés du sub-écoulement.
L'emploi d'une eau de lavage ou de liquide de lavage introduit par le conduit 82 est généralement désirable pour améliorer l'efficacité de la séparation, en particulier lorsque la matière alimentaire contient des solubles que l'on désire bloquer ou bien maintenir hors du sub-écoulement.
Du liquide de lavage introduit par le conduit 82 sert à déplacer du. liquide alimentaire contenant des solubles de la matière du sub-écoulement à la périphérie interne du bol du rotor, et l'amène dans le trop-plein dans la mesure où s'effectue le déplacement, empêchant ainsi les solubles de passer dans le sub-écoulemento Le liquide de lavage qui déplace le liquide alimen- taire passe en sortie dans le sub-écoulement. Lorsqu'on utilise une quantité de liquide de lavage moindre que le liquide éliminé dans le sub-écoulement, un état ou condition dit d'écoulement descendant existe dans le rotor, et lorsque une quantité de liquide de lavage plus grande que le liquide éliminé dans le sub-courant est utilisée un état ou condition d'écoulement ascendant existe dans le rotor.
Pendant l'écoulement descendant une partie du liquide alimentaire passe en sortie avec le sub-écoulement et pendant l'écoulement ascendantune partie du liquide de lavage se meut à contre,courant ' à travers la chpmbre de séparation pour se décharger avec le trop-plein.
Ea quantité relative de liquide de lavage utilisée en pratique
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dépend du type d'opération qui est exécutée. Pour obtenir un déplacement maximum, de solubles dans le trop-plein, il est usuel d'employer des-quan- tités suffisantes de liquide de lavage pour maintenir un état d'écoulement ascendant. Lorsque les exigences de la séparation des solubles ne sont pas impératives, la quantité d'eau de lavage utilisée peut être réduite pour éta- blir un état d'écoulement descendant. Dans les cas ou deux ou un plus grand nombre de machines centrifuges sont utilisées en cascade, la première centrifuge peut fonctionner avec un écoulement descendant, et la seconde avec un écoulement ascendant.
Bien qu'il soit impossible de faire des observations directes sur ce qui se passe dans la chambre centrifuge 19, il résulte des constatations''- faites et de l'opinion de la Demanderesse, que le liquide alimentaire s'écou- le vers le bas et l'extérieur dans la section 28, les passages 32 et l'ori- fice 33 voisin du fond de la chambre 19 et est refoulé vers le haut par la surface conique interne de la section 10 du bol dans la zone de la chambre 19 qui entoure les disques ou plateaux 36, où les constituants les plus den- ses de l'alimentation du trop-plein sont séparés et passent en sortie par l'orifice 104 (fig. 3) dans la chambre à grande vitesse 51, et le trop-plein s'écoule vers le haut à travers l'empilage des disques 36, par dessus la lè- vre 27, dans la volute 59.
11 se produit dans l'empilage une séparation com- plénentaire des constituants les plus denses, des liquudes traversant l'em- pilage en direction ascendante.
A partir de la chambre 51, le sub-écoulement se décharge par les ajutages 41 dans la volute 64. Le sub-écoulement est divisé dans la propor- tion désirée et une partie est évacuée par le conduite 83 (fig. 2) tandis que le restant est ramené par le conduit 81, l'orifice 79 (fig. 1); et l'en- semble impulseur, à travers les tubes 93, avec la quantité désirée de liqui- de de levage ajoutée par le-conduit 82 (fig. 2).
Le mélange de sub-écoulement et de liquide de lavage se décharge par les tubes 93 avec une vitesse radiale relativement élevée et une action de jet, à partir des extrémités externes de ces tubes. Comme la matière est confinée dans les tubes jusqu'au moment où elle se décharge de l'extrémité externe de ceux-ci, une vitesse de rotation lui est communiquée qui est à peu près égale à la vitesse périphérique des extrémités externes des tubes.
Comme les disques ou plateaux 36 se terminent à distance des extrémités exter- nes des conduits 93, la matière ramenée lorsqu'elle pénètre dans l'évidement ou chambre 51 possède une densité spécifique apparente relativement élevée comparativement à la matière de la zone de séparation principale de la cham- bre 19 entourant les disques ou plateaux 36, et ceci contribue à l'action de jet des tubes 93. La matière du sub-écoulement se déchargeant à travers les tubes 93 apparamment remplit largement l'espace périphérique du bol ou évidement 51 entre les ajutages et s'écoule circonférentiellement en une cou- che périphérique de boue vive qui se décharge à travers les ajutages de sub- écoulement 41.
Tandis que cette boue vive s'écoule dans l'évidement 51, ou bien le long de la périphérie externe du bol lorsque l'évidement 51 n'est pas utilisé, un échange continuel de solides et de liquides se produit entre la couche de boue vive retournée et la matière occupant la zone de séparation adjacente. Ainsi, des solides séparés par centrifugation de la masse alimen- taire se meuvent vera" l'extérieur à partir de la chambre de séparation prin- ci.pale, à travers l'espace 104, dans l'évidement 51.
En supposant que la quantité d'eau ou de liquide de lavage soit suffisante pour déterminer un état d'écoulement ascendant, du liquide de lavage s'écoule de l'évidement 51, à travers l'espace 104 dans la fig. 3, dans la chambre' de séparation principale, pour de ce fait déplacer effectivement du liquide alimentaire et des solubles, des solides du sub-écoulement séparés par centrifugation.
On notera que cet échange continuel entre la matière de la couche de boue vive externe et la matière dans la partie principale de la chambre de séparation, ou zone de séparation adjacente, est réparti d'une manière relativement uniforme ou égale tout autour du rotor, tandis que la matière ramenée déchargée des extrémités externes des tubes 93 est nettement loca-
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lisée dans des régions situées à mi-chemin entre les ajutages de décharge
41, Par suite l'échange s'effectue alors que la masse des matières dé l'évidement 51 où la couche de boue vive s'écoule circonférentiellement vers les ajutages 41.
La couche de boue vive périphérique ramenée, est apparemment, maintenue dans un état d'agitation continuel; en raison des remous ou tourbillons communiqués à la matière dans les tubes'93, et à la turbulence supplémentaire et aux remous ou tourbillons provoqués résultant de la projection de la matière des extrémités externes de ces tubés contre la périphérie du bol entre les ajutages. Cette turbulence ou remous ou tourbillons sont largement limités à la couche de boue vive et ne se prôpa- gent pas dans la chambre de séparation principale pour interférer avec une action de séparation efficace.
Toutefois, la formation de tétraèdres présents dans les machines antérieures,et due à la réunion de solides séparés par centrifugation entre les ajutages est soit entièrement empêchée ou maintenue dans des limites telles que l'on évite toute interférence avec le fonctionnement de la machi= ne. On attribue cet effet extrêmement important à l'action de balayage asso- ciée à la densité spécifique apparente élevée de la couche de boue vive ra- menée qui s'écoule circopférentiellement dans l'évidement 51.
Une caractéristique importante de l'invention réside dans le fait d'atteindre des rendements de séparation plus élevés avec des capacités considérablement accrues et,ou l'emploi de quantités considérablement, plus grandes d'eau de lavage qu'il n'était possible dans des machines antérieures.
Grâce à l'invention, le taux d'alimentation peut, conformément, être grande- ment augmenté par rapport aux machines antérieures,, et la quantité de liquide de lavage peut être grandement accrue pour assurer une séparation efficiente en ce qui concerne tant les solides que les solubles. On attribue ce résul- tat à la manière dont du liquide de la matière ramenée est transféré à la chambre de séparation principale, et également à l'élimination substantielle ou complète de tétraèdres de solides accumulés entre les ajutages, qui inter- fèrent avec la capacité et le rendement de séparation. Comme indiqué pré- cédemment, la quantité relative de liquide ou d'eau de lavage utilisée peut varier suivant les exigences de la séparation et la capacité désirée.
Lorsqu'on travaille dans des conditions d'écoulement ascendant, une capacité relativement élevée peut tre maintenue tandis que le rotor peut, en même temps, être alimenté avec suffisamment d'eau de lavage pour procurer un écoulement ascendant avec un déplacement matériellement plus efficace de solubles dans le trop-plein, comme précédemment défini.
A titre d'exemple spécifique, dans un cas le rotor avait un dia- mètre externe de 285,7 mm et fonctionnait à une vitesse de 7000 tours par minute. Les diamètres externe et interne de l'évidement 51 étaient de 260,3 mm et 234,9 mm respectivement. Les surfaces 52 et 53 avaient une largeur radiale de 12,7 mm et la distance verticale entre ces surfaces était de 12,7mm On a utilisé douze ajutages de décharge de sub-écoulement, chacun des ajutages ayant un diamètre d'orifice nominal effectif de 1,62 mm.
Douze tubes 93 sont utilisés, chacun d'eux ayant un diamètre interne de 7,9 mmo Les extrémités externes de ces tubes étaient disposées à mi-chemin entre des ajutages voi- sinso L'ouverture d'entrée du retour, 91, abait un diamètre de 38 mm et le diamètre interne de la lèvre de débordement était de 78,2 mm. La machine travaillait sur une alimentation d'amidon à 14,5 Bé contenant 25,8% de soli- des. Cette liqueur était fournie à la machine au taux de 340000 cm3 par mi- nute avec une décharge de trop-plein au taux de 280000 cm3 par minute et l'é- limination de sub-écoulement à 26.700 cm3 par minute. Le sub-écoulement était maintenu à 18,2 Bé et contenait 32% de solides secs. De l'eau de lavage fraiche était ajoutée au taux de 200700 cm3 par minute.
La matière se dé- chargeait des ajutages de sub-écoulement au taux d'environ 2260700 cm3 par minute, et le sub-écoulement était continuellement ramené au rotor au taux d'environ 200a000 cm3 par minute. La capacité de séparation en termes d'ami- don sec, par 24 heures, était de 14.074 Kgs et ce résultat était atteint avec une séparation très efficace (minimum de solides d'amidon dans le trop-plein et minimum de solubles dans le sub-écoulement évacué). Ce résultat contras-
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te avec une capacité maximum d'environ 40540 Kos par 24 heures pour une machine de dimensions comparables construite en substance comme illustré par le brevet des E.U.A. 1.945.786 et fonctionnant avec un rendement de sépara- tion comparable.
Pendant le fonctionnement de la machine, on a constaté'' une complète absence de colmatage ou d'obstruction des ajutages de sub-écou- lement et des tubes 93 et l'on n'a constaté aucune présence effective de tétraèdres accumulés comme dans les machines antérieures lorsque la machine a été vérifiées après des fonctionnements d'essai.
La machine dont il est question plus haut à titre d'exemple n'était pourvue d'aucun organe formant écran ou barrière 101. Avec une telle barriè- re mise en place, la capacité de la machine est pratiquement la même, mais le rendement de séparation en ce qui concerne les solubles contenus dans l'a- limentation est sensiblement amélioré. En d'autres termes, il se produisait une action de déplacement plus efficace pour amener ces solubles dans le trop- plein.
Après des périodes étendues de fonctionnement, un démontage'de la machine (établie selon le modèle précédent) n'a révélé aucune accumula- tion de matières solides, telle qu'il s'en formait dans des machines antérieu- res, dans la chambre centrifuge ou dans l'évidement annulaire 51. Suivant les observations faites, et l'opinion de la demanderesse, l'absence de ces solides accumulés est largement cause de l'absence d'obstruction ou de colma- tage des ajutages de décharge du sub-écoulement, et contribue également à atteindre la capacité de séparation remarquablement élevée.
De plus, il est bien connu que des accumulations d'amidon ou de matières solides analogues dans les machines centrifuges utilisées pour traiter des produits alimentai- res sont sujettes à objection, car ces-dépôts sont une source possible de contamination par les bactéries ou autres micro-organismes, ou peuvent né- cessiter des périodes dispendieuses d'arrêt pour nettoyer la machine. On a fait allusion précédemment à la vitesse d'écoulement relativement élevéé à travers les tubes 93.
L'écoulement à la vitesse élevée à travers les tu- bes est désirable, non seulement car elle détermine l'écoulement périphé- rique circonférentiel désiré de boue vive' entre les ajutages, mais en outre du fait qu'elle prévient l'obstruction des passages à travers les tubes; L'écoulement à vitesse relativement élevée à travers les tubes 93 est dû en partie à la hauteur de charge différentielle relativement élevée appliquée à la matière ramenée. Ceci peut être mieux compris en référence à la figure 1. Ainsi, comme dans le cas des dimensions spécifiées à titre d'exemple, l'entrée 91 de la section d'impulseur 89 est comparativement étroite par rapport au diamètre de la lèvre de débordement 27.
Aux vitesses de rotation telles qu'utilisées pour obtenir une bonne séparation, la différence relati- vement grande en diamètre en ces points se traduit par une différence substan- tielle dans la hauteur de charge hydraulique entre la matière du sub-écoule- ment qui est ramenée dans l'évidement 51 aux extrémités externes des tubes 93 et la hauteur de charge sur la matière se mouvant vers l'extérieur à travers la chambre de séparation aux extrémités externes des tubes 93. Pour la ma- chine particulière spécifiée dans l'exemple précédent, la hauteur de charge différentielle aux extrémités externes 98 des tubes 93, se calcule théorique- ment être de 1"ordre d'environ 55 m d'eau pour une vitesse de rotation de 7000 tours par minute.
En pratique, on préfère que la hauteur de charge différen- tielle soit de l'ordre de 15 à 30 m d'eau ou plus.
L'invention peut être modifiée de diverses manières dans les li- mites de portée des revendications annexées. Ainsi en remplacement des tubes 93 on peut utiliser des moulages ou autres structures qui procurent des pas- sages comparables pour décharger la matière ramenée du sub-écoulement dans des régions localisées intermédiaires entre les ajutages de décharge du sub- écoulement, d'une manière pratiquement identique aux tubes.
Le circuit de retour ne doit pas nécessairement être un passage de retour fermé direct comme illustré dans la figure 2. Ainsi, il est pos- sible d'insérer dans le circuit de retour une boite à vent ou une cellule de flottaison comme divulgué dans le brevet des E.U.A. 2.039.605.
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Dans la réalisation de l'invention illustrée dans la figure 6, l'évidement 111 correspondant à l'évidement ou chambre à grande vitesse 51 . des figures 1 à 5, est défini par une paroi courbée externe 112 et les sur- faces supérieure et inférieure 113 et 114. Les tubes 116, correspondant aux tubes 93, ont leurs extrémités 117 se terminant dans l'évidement 111. Les tubes sont pourvus de tampons 118 pour venir reposer sur la surface adjacente du bol. Il est à noter que dans cette réalisation l'organe formant écran ou barrière 101 a été omis.
Dans la réalisation illustrée dans les figures 7 et 8, la construc- tion du bol est encore simplifiée. Des tubes 121 délivrent la matière ramenée dans la portion externe de la chambre de séparation et dans des emplacements intermédiaires entre les ajutages de décharge. Un écran 122 est placé en recouvrement des tubes 121 et un autre écran ou barrirère 123 s'étend entre les tubes 121 et vers le bas à partir de la périphérie externe de l'écran 122. Cette construction procure en fait un espace annulaire 124 qui sert en lieu et place de l'évidement de bol annulaire 51 de la fig. 1.
Une réalisation encore simplifiée de l'invention est illustréé par les figs. 9 et 10. Dans ce cas la construction du bol est'la même que dans la fig. 7, et les tubes 126 déchargent de la matière de sub-écoulement dans la portion périphérique externe 127 de la chambre de séparation. Les extrémités externes des tubes 126 sont disposées à mi-chemin entre les aju- tages de décharge du sub-écoulement. Cette réalisation permet de réaliser une capacité plus élevée que les centrifuges conventionnelles, bien qu'ellé ne soit pas aussi efficace que les réalisations précédemment décrites procu- rant une capacité élevée en même temps qu'un déplacement efficace des solu- bles par fluide de lavage.
L'invention peut être réalisée sous d'autres formes spécifiques sans se départir de son esprit ou s'écarter de ses caractéristiques essentiel- les. Les réalisations définies doivent par suite être considérées à tous égards comme illustratives et non restrictives, la portée de l'invention étant indiquée par les revendications annexées plutôt que par la description pré- cédente, et toutes les modifications rentrant dans la portée du terme "équi- valence" et la gamme des équivalents des revendications doivent par conséquent être considérées comme y englobées.
REVENDICATIONS.
1. Dans une méthode de séparation par centrifugation de matière solide à partir de liquides, les opérations consistant à amener la matière à séparer dans une zone de séparation tournante, dans laquelle'les solidés sont envoyés axialement vers l'extérieur et le liquide passe axialement'vers l'intérieur, à enlever le liquide axialement à l'intérieur de la dite zone- de séparation, à enlever les solides séparés en des points espacés adjacents à la périphérie externe de la dite zone de séparation, et à ramener une par- tie des dits solides séparés, à travers la dite zone de séparation, isolée de la matière alimentaire, et la décharger entre les dits points espacés ad- jacents à la périphérie externe de la dite zone de séparation sous une vitesse suffisante pour conduite les solides séparés aux dits points espacés.
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MACHINES AND METHODS OF CENTRIFUGATION.
The invention relates generally to centrifuged machines of the type suitable for the continuous separation and discharge of solid constituents from a fluid food material containing solids in suspension. The invention also relates to centrifugal separation methods which can be carried out using said machinesa
More particularly, the invention relates to centrifugal machines with a continuous return circuit, in which a part of the lower flow or separated sub-flow is continuously returned to the rotor of the centrifuge with a view to being returned. discharged through the sub-flow nozzles, with suitable means to allow the efficient recovery of;
soluble matter of liquid food, as well as the separation of solids.
The first presently known proposals for centrifugal machines providing for the return of a sub-flow are disclosed in Swedish Patent No. 25,442 of 1907 and in the corresponding British Patent No. 10,314 of 1908. In each of these patents an embodiment has been shown with relatively wide, converging wall return tubes discharging at the inlets of the rotor nozzles, and in another embodiment such tubes are shown discharging between the nozzles. No attempt is made to recover the soluble matter in the liquid food, and the stated object of these patents was to provide centrifugal machines for separating solids in liquids, provided with means for preventing the obstruction of the nozzles of the liquid. dump.
The structures of these machines are such that the mixing of liquid feed with the returned sub-flow necessarily results in a substantial loss of soluble material as well as inefficient solids separation. The only control mentioned, but without method disclosure, is the maintenance of a substantially constant total value of solids discharged and fluids returned regardless of the variation in the amounts of solids separated. Tests have shown that large supply tubes of
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Converging wall return clogs easily, especially with a strong sub-flow return feed.
No deposition area is indicated between the discs and the periphery of the bowl, and the overall arrangement is very inefficient, although patents are held by older, highly skilled manufacturers of continuous centrifugal machines without return. While such machines were built, they did not come into general industrial use, and until recently the patent holder only manufactured continuous centrifugal machines of the returnless type.
The first interesting industrial return type centrifuges providing highly efficient recovery of soluble solids and separation of solids were sold as "MERCO" machines and appeared on the market many years later. These machines were manufactured under U.S. Patents. 1,847,751; 1,923,454 and 1,954,786. In these machines very efficient control was provided for the important function of separating the originating food liquid from the discharged solids to ensure the recovery of soluble materials.
The U.S. patent 1.847.751 illustrates the first industrial machine of its kind using return circuit tubes, which discharged only at the inlets of the rotor bowl nozzles. The return tubes have been further improved by a more recent cone-shaped return impeller with impeller vanes extending from the lower conical surface of the impeller to the lower conical section of the bowl, and distributing the return feed around the discharge periphery of the bowl, as illustrated for example in the US patent 1,945,786. These machines and the later tubeless "MERCO" machines as shown by the U.S. Patents.
2,013,668 and 2,060,239, uses a rotor which has means for introducing fluid food material into the separation chamber, an overflow lip for discharging the overflow separated by centrifugation, and sub-flow relief nozzles mounted on the peripheral marginal portion of the rotor.
The rotor is also provided with an impeller which has an opening which is axially arranged and connected for discharging material into the outer part of the centrifugal chamber, by an annular passage of substantially uniform transverse flow extent, distributing the sub-flow returned to a so-called "high speed" chamber, forming the external part of the separation chamber. The en = veloppeqqui which surrounds the rotor is provided with a volute, or similar means, for collecting the sub-flow which is separated by centrifugation.
The flow link from this volute serves to deliver a large portion of the sub-flow back to the centrifugal chamber through the axial opening of the impeller. Means are provided for introducing washing liquid into the return circuit in order to displace substantially all of the liquid contained in the feed into the overflow, along with the soluble matter therein. This constitutes a very important operation called "blocking of the soluble", and the improvement of its efficiency is a main object of the present invention.
Under certain operating conditions, there is a tendency, more readily detectable in smaller "MERCO" machines, to deposit solids between the sub-flow discharge nozzles.
After periods of operation, deposits of sub-flow solids were found in the outer part of the separation chamber, in regions intermediate between the discharge nozzles. These deposits frequently reach the proportions of tetrahedra which can extend inward as far as the discs or separator plates. These difficulties also exist, more marked, in an industrial centrifugal machine of the return type recently introduced on the market, which uses a series of tubes to continuously return material from the sub-flow.
In the latter machine, the tubes of the return circuit extend outwards into the lower part of the separation chamber, and discharge into pockets formed at the inlet ends of the sub-flow discharge nozzles, in to prevent clogging or obstruction of nozzles.
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During operation, sub-flow solids also accumulate in the outer part of the separation chamber of this machine, in regions intermediate between the inlet ends of the sub-flow nozzles, tending to form sub-flow nozzles. Notable tetrahedra extending a marked distance into the separation chamber. In both types of machines such accumulations tend to limit the separation capacity, and frequent clogging or obstruction of the sub-flow nozzles occurs which are attributed to the disintegration of fragments of these deposits in addition to these. difficulties, the last machine of the tube type is subject to clogging or obstruction of the tubes delivering the material from. sub = flow in the separation chamber.
The scope or range of industrial applications of continuous return centrifuges depends in part on their capacity. The separation capacity of prior machines for a given fluid food material and the desired separation efficiency, as well as the amount of washing liquid that can be used with a rotor of given dimensions capable of operating at a given speed of rotation, is limited.
Attempts to bring prior machines beyond these limits by increasing the feed rate and the amount of wash water result in a substantial deterioration in the separation efficiency of particular machines. Based on observations made, the amount of fresh washing liquid that can be used while the machine is running is a definite measure of the capacity that can be achieved without sacrificing separation efficiency. The limitations on the capacity, and the amount of wash water that can be employed, serve to restrict the useful range of use of these return type centrifugal machines, and in many cases their application is rendered impractical for economic reasons.
Accordingly, it is another essential object of the invention to provide new centrifugal machines of the continuous return type avoiding the previous limitations and disadvantages of previous return machines.
Yet another object of the invention is to provide a new centrifugal machine of the continuous return type which, for a given rotor diameter and rotational speed, will provide a relatively high capacity compared to the capacities previously obtained with previous machines.
In some back-separation operations, such as for example in the separation of wheat starch and gluten, control of the flow of feed and wash liquids has been a difficult problem.
Accordingly, it is another object of the invention to provide an improved centrifugal machine of the continuous type which allows the use of relatively larger quantities of washing liquid in the sub-flow return circuit, with high separation efficiency and improved control of the amounts of feed and wash liquid passing through the machine in either direction, along with improved solubles blocking.
Yet another object of the invention is to provide new centrifugal machines of the return type and methods of using and controlling the return of the material from the sub-flow, thanks to which much higher capacities can be obtained. in machines of given dimensions without sacrificing separation efficiency, and where clogging or clogging of the sub-flow nozzles is avoided or minimized.
Another object of the invention is to provide a centrifugal machine of the continuous type comprising a return circuit for the sub-flow material, not requiring the use of an excessive number of sub-flow nozzles. flow, and which is therefore relatively efficient in terms of power consumption.
Yet another object of the invention is to provide a new method of centrifugation, characterized by the novel way in which optimum separation conditions are maintained in the separation chamber,
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and how the returned sub-flow material is used to minimize or prevent the formation of tetrahedra of solids between sub-flow nozzles.
Additional objects and characteristics of the invention will emerge from the description which follows, in which the preferred embodiments have been indicated in detail in connection with the accompanying drawings.
The foregoing objects are generally achieved by the use of suitably proportioned and arranged return tubes which distribute the returned sub-flow and the washing liquid between the nozzles of the bowl, near the periphery of the bowl, in a manner and at speeds which prevent accumulations of solids between nozzles, minimize or eliminate plugging or obstruction of nozzles and which, for the recovery of solubles, displace the originating food liquid through washing liquid, bringing the originating food liquid to exit into the overflow, all with a significantly higher degree of control and efficiency than has been previously possible in return type machines.
In achieving these new, improved and highly desirable results, it has been observed that the following factors are interrelated and of varying importance: (a) the number and location of discharge of the return tubes relative to the nozzles of the bowl, (b) the dimensions of the tubes, (c) the height of the differential load created by the relative bowl inlet diameters and the overflow discharge diameter, (d) the speed, dimensions and shape of the rotor bowl, (e) the nature of the separation desired, (f) the viscosity and other characteristics of the process liquids, (g) the percentage and physical characteristics of the process solids and (h ) the number and dimensions of the sub-flow nozzles, in particular the dimensions and number of tubes.
The correct tube discharge position is important, and it will be approximately exactly halfway between adjacent nozzles in the bowl for optimum results. Tubes slightly forward of the middle position are not too disadvantageous. In a series of tests carried out with a liquid containing solid particles of purified starch, slurried in salt water, which usually gives typical results, and with the discharges from the return tubes to the front and back of the exact mid-point between the nozzles, invariably the overflow contained considerably less solids with the tubes discharging at the mid-position between the nozzles than when they were moved from that mid-position.
Discharge of the tubes behind the middle position has been found to be very disadvantageous, and slightly forward of the middle position is somewhat worse than in the middle position, but not too disadvantageous for use. As one approaches the middle position, the results of the separator improve. Tubes discharging parallel to the periphery of the bowl are not particularly advantageous over tubes discharging radially.
These tests show that the dimensions of the interior of the tubes, where the extent of the cross section of these tubes, are important in relation to the number of tubes used, the volume of fluid passing through the tubes, the load height differential pumping the fluid through the tubes and the nature of the fluid itself. The speed of the jet discharge from the return tubes must be high enough to keep the bowl, nozzles and tubes themselves free. Tubes that are too large for the extent of the sub-flow nozzles become loaded or plugged with solids.
The length of the tubes can be varied without adversely affecting the clarification of the overflow to any appreciable extent as long as the clearance between the end of a tube and the bowl is sufficient to prevent obstruction of the tube, and as long that the speed of the discharge jet is sufficient. The minimum clearance at the ends of the tubes will be roughly equivalent to a quarter of the tube outlet diameter.
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The number of tubes and nozzles used can be changed to advantage, for different separation problems. Although a great deal of 'practical selection is allowed', for each size and type of machine a number can be chosen which gives the best overall operation. For example, for a large variation in the characteristics of the process liquor, the best overall performance has been obtained with twelve bowl nozzles and twelve tubes of the correct size; installed in a 280 mm OD "MERCO" unit with the standard differential pumping heights of that unit.
For some products, however, a lower number of nozzles and tubes ensures equivalent separation with greater energy consumption efficiency.
The improvements made by the invention, due to the arrangement of the tubes, are demonstrated by the fact that in comparative tests of a "MERCO" machine of 535 mm in diameter, 10 tubes discharging from 10 rotor nozzles) give a clarification considerably better than 10 and 20 tube and nozzle arrangements with the tubes discharging at the inlets of the nozzles. Another advantage of using a smaller number of nozzles, made possible by the use of tubes between the nozzles as a replacement for the prior conventional impeller, is that 10 nozzles, with tubes between the nozzles. , require only about two-thirds of the overall power required in the same machine by the arrangement of 20 nozzles having the same orifice diameter, and tubes.
The increased volumetric efficiency of the bowl, due to the elimination of solid accumulations between the rotor nozzles and other factors, such as less turbulence in the present invention, contributes to the noted improvement mentioned. This improvement can be expressed practically by the substantial increase in the density of the sub-flow which is possible with the same purity of overflow, provided by tubes arranged approximately halfway between nozzles compared to tubes discharging at the location of the nozzles.
For example, an increase in feed capacity of about 115 to 150 l / m was obtained for the 535 mm "Merco" machine, resulting in an increase of about 60% in the overall capacity of the machine. la machïnea In comparative tests at capacities or feed rates, equivalent, and above 18 Be for sub-flow densities, the overflow of a machine with return tubes discharging between nozzles of bowl, contained 1/10 to 1/15 or less of the solids present in the overflow of the same machine with return tubes discharging at the inlets of the bowl nozzles.
And above 18 Be for sub-flow densities, a 280 mm "MERCO" machine with 3 bowl nozzles and 3 return tubes discharging between the rotor bowl nozzles had 10 times the capacity, and at the same time. time gave an overflow containing 1/14 to 1/30 of the solids from the overflow of the same machine with return tubes discharging at the inlets of the rotor bowl nozzles.
Further tests performed on larger numbers of nozzles and tubes showed similar marked improvements in solids recovery, and that more than 5 times the feed and more could be used. than 7 times the amount of wash liquid with the present invention than in analogous 280mm machines using prior "MERCO" return impellers, to give equivalent solids values in the overflow.
In addition to the previous unpredictable improvements in capacity increase and power reduction, and improvements in solids separation and overflow purity, there has been a very marked improvement, and quite unexpected and surprising, in the recovery of the solubles or the effectiveness of blocking the solubles by moving the return tubes discharging at the inlets of the nozzles and causing them to discharge halfway, between the nozzles, Although the clarification of the excess -full had been found improved by the use of tubes discharging between the nozzle inlets rather than at the aju inlets -
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floors,
It was fully expected that tubes discharging at the nozzle inlets would give better blocking of solubles than tubes discharging between nozzles. However, at all feed and wash rates tried, the tubes between the nozzles gave better overall recovery of solubles from the feed. With 10 tubes discharging midway between nozzles a very significant improvement was obtained. in the sub-flow density of 1.4 and 2.5 Bé with an average of 2 Be for all washes' and comparable feeds compared to tubes discharging at the nozzle inlets.
Twenty tubes discharging µ midway between nozzles gave an average improvement of 1.2 Bé in sub-flow densities.
It has also been found that the "high speed chembre" in the periphery of the bowl of the "Merco" machine is advantageous for the blocking of solubles, but does not have such a marked advantage for the clarification of the overflow, and that a screen placed over the tubes to separate them from the main chamber of the bowl does not assist in the clarification of the overflow, but helps somewhat in blocking the solubles.
Referring now to the drawings:
Fig. 1 is a side elevational view, in section, illustrating a specific embodiment of the invention;
Fig. 2 is a schematic plan view, on a reduced scale, showing in particular a portion of a return circuit for returning material from the sub-flow;
Fig. 3 is a cross-sectional detail, on an enlarged scale, of a portion of the rotor, and in particular illustrates part of the circuit.
EMI6.1
return of the sub ** flow
Fig. 4 is a sectional plan of a quarter of the rotor, showing the sub-flow discharge nozzles, and the positions occupied by the sub-flow return tubes;
Fig. 5 is a cross-sectional development, on an enlarged scale, taken along line 5-5 of Figure 3;
Fig. 6 is a detail in cross section like FIG. 3, but illustrating another embodiment of the invention; Fig 7 is a detail in cross section like fig. 3, but illustrating another embodiment of the invention;
Fig. 8 is a detail in cross section taken on line 8-8 of Figure 7;
Fig. 9 is a detail in cross section like FIG. 3, but illustrating another embodiment of the invention;
Fig. 1a is a detail in cross section taken on line 10-10 of Figure 9.
The embodiment of the invention which is illustrated in FIGS. 1 to 5, comprises a rotor 1a which is arranged in a housing or envelope 11.
The rotor is carried by the vertical shaft 12 which, in turn, is connected by the coupling 13 to the vertical drive shaft 14.
For convenience, rotor 10 is established using a number of separable annular portions. Thus, the upper and lower frustoconical bowl portions 16 and 17 are fitted together and held together by the threaded locking ring 18. The portions 16 and 17 are established to provide the internal separation chamber 19. having upper and lower tapered outer wall sections diverging outwardly from the axis of rotation of the bowl discharge nozzles described below. The joint between these parts is sealed by suitable means, such as the elastic ring of circular section 20.
The lower part 17 is provided with a frustoconical internal means 21, adapted to
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the lower end of shaft 12, and forms a wall of the feed passages for the separation chamber. The lower end of the shaft
12 is threaded to receive the nut 22 and the threaded sleeve 23. The nut 22 serves to hold the bowl assembly, and an impeller assembly, hereinafter described, to the shaft 12. The sleeve 23 is provided with a flange to provide a lower face of the tray type, 24, for the purpose which will be explained.
In order to provide a means for the discharge of the centrifugally separated overflow, the upper section 16 is provided with a cylindrical extension 26, terminating in an annular overflow lip 27.
A tapered, sleeve-like member 28 is disposed in the rotor section 16, and is provided with a flared lower portion 29 covering the inner portion 21 of the bowl section 17. The member 28 is provided with ribs 31 circumferentially spaced and extending inwardly, and the spaces between these ribs form outward discharge passages 32 for the introduction of food materials.
The food material introduced through the passages 32 enters the separation chamber
19, at a relatively high speed, through the annular orifice 33 adjacent to the lower end of the lower frustoconical, upwardly inclined outer wall of the chamber 190
The outer ribs 34 of the member 28 serve to maintain a spacing with the upper rotor section 16, thereby allowing the flow of the overflow material to the lip 27. The discs of a separator stack, shaped as cone, spaced, 36, located by ribs, 34, have external horizontal discharge lips having a diameter approximately equal to that of the annular feed port 33.
This provides a deposition or separation region surrounding the feed port and the outer edges of the discs for the effective separation of solids from the food material and for the separation of the feed and the returned material. in a way which will emerge more fully from what follows.
Sub-flow material separated by centrifugation is discharged from the rotor through nozzles 41, which are mounted at circumferentially spaced apart points (Fig. 4) from the outer peripheral marginal portion 42 of the rotor. The details of the construction of these nozzles may vary, but to reduce power loss it is desirable that they discharge material back to the direction of rotation. In the nozzle construction shown in Figure 4, the rotor is provided with Radially extending apertures 43, which are threaded to receive collars 44. A nozzle 46 fits into and rests on a collar 44, and forms a mount for the body of a nozzle 41.
The flow passage through this nozzle comprises the portion 48 which extends in a radial direction, and the orifice portion 49, which is directed backwards with respect to the direction of rotation.
In the arrangement of the invention illustrated by Figs 1 to 5, the inlet ends of the nozzles 41 all communicate with an annular recess 51, called "high speed chamber" which in turn communicates through its internal side, with the main separation chamber 19. This high velocity chamber has, as previously stated, been found to be advantageous for the blocking of solubles, but it does not particularly aid in overflow clarification or solids separation. . As shown in particular in fig. 3, the annular recess 51 is defined by the top and bottom spaced horizontal surfaces 52 and 53, and the peripheral surface 54.
The outer fixed housing or envelope 11 is preferably established with the aid of a number of separable annular sections, in particular comprising the parts 56, 57 and 58 (figo 1). The upper section 56 forms an annular volute or chamber 59 for receiving the overflow material discharging over the lip 27 and has the concentric conduits 61 and 62, providing a passage 63 for introducing food material. in the supply well formed by the member 28.
The sections
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casing 57 and 58 are set up to provide an annular chamber or volute 64, which receives sub-flow material discharged from nozzles 41. Filler rings 66 and 67, carried by the sections, can be provided. casing 57 and 58, intended to form therebetween a relatively narrowed annular neck 68 through which material from the nozzles enters volute 64. By maintaining a liquid level in the constricted neck passage 68, the The kinetic energy of the discharged sub-flow material is substantially transformed into static pressure in the volute chamber 64.
In the realization of figs. 1 to 5, the sub-flow return circuit comprises the lower housing 77 (FIG. 1) forming the inlet passage 78 to the nozzle 79. The inlet 78 is in communication with the end of the nozzle. discharge from conduit 81 (Fig. 2), the inner end of which connects tangentially to the volute chamber of sub-flow 64. A valve-controlled conduit, 82, is provided to control the introduction of li - washing quide in the pipe 81 and the final extraction of sub-flow materials is carried out by the pipe controlled by valve 83.
A member 84 forming a needle valve is preferably provided: (FIG. 1), carried by the threaded operating rod 86 which extends outside the housing and is provided with the operating handwheel 87, to control the pressure. speed of the return sub-flow jet and wash liquid. By rotating handwheel 87, the effective flow extent in orifice 88 of nozzle 79 can be varied as needed to maintain the jet speed at the proper value.
The centrifugal rotor provided with an impeller system or assembly receives material discharged upwardly through the nozzle 79. This system or assembly comprises a cone-shaped impeller part, 89, attached to the part 17 of the rotor, and provided with a downwardly facing axial opening 91 aligned with and located directly above the nozzle 79. Circumferentially spaced radial blades, 92, impart a rotational speed to the returned fluid material, which is pulsed upwardly along the tapered inner surface of part 89 forming a section of the bowl.
Return tubes 93 (Figs. 1 and 3 to 5) are disposed in the lower part of the centrifuge chamber 19, covering the internal conical surface of the bowl section 17. The lower internal ends of the tubes 93 communicate with the chamber. impeller and, in the construction shown, are attached to sleeves 94 which, in turn, are removably engaged with openings 96 formed in bowl section 21.
Appropriate sealing means, such as an elastic ring of circular cross section, 97, serve to prevent leakage beyond each sleeve.
The outer ends 98 of the tubes 93 are substantially free of obstruction, and discharge near the outer periphery of the separation chamber 19. As illustrated in this embodiment, the tubes are angled to discharge horizontally and perpendicular to the surface 54. in the high speed chamber 51, midway between the nozzles 41 as shown in Figure 4, and the number of tubes equals the number of nozzles.
The diameter of the tubes 93 and their locations constitute an important feature of the present invention. As previously indicated, their diameter must be such as to maintain an adequate speed to prevent clogging or obstruction inside the tubes and also to prevent the accumulation of solids between the nozzles of the rotor at the inner periphery. of it. Optimum results are obtained when the tubes discharge midway between the nozzles.
It will be observed that with the aid of the structure as heretofore described, the complete separation between the food material and the sub-flow returned is maintained, with the food material penetrating radially into the separation chamber. main 19, well internally at the discharge ends of tubes-93.
With twelve nozzles and tubes as illustrated in this embodiment.
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the distance between the discharge end of each tube 93 and the inlet ends of neighboring nozzles is substantially less than the radial distance from the axis of rotation at the discharge end of each tube 93.
Although a greater or lesser number of nozzles and tubes may be used for particular applications as previously indicated, it is generally desirable to maintain a ratio of the order of one or less between the distance, measured. along the chord, from the discharge end of a tube to the adjoining nozzle, and the radial distance from the axis of rotation to the discharge end of a tube.
A screen or barrier 101, preferably of frustoconical conformation, arranged between the recess 51 and the main part of the separation chamber, assists in blocking the soluble substances. With this barrier or screen the communication between the recess 51 and the main part of the separation chamber 19 is established by the annular space 1040.
A drainage line 106 (figo 1), connected to the lower end of the casing 11, serves to remove the spilled material.
Guide rods 107 pushed down by a compression spring 108 facilitate assembly of the machine.
OPERATION. In operation of the machine illustrated in FIGS. 1 to 5, a suitable food material, such as, for example, a starch liquor containing finely divided starch particles, gluten particles and soluble materials, is supplied to the feed passage 63 while the machine is in operation. working. In the separation chamber, centrifugal forces act on the material to separate the starch from the lighter gluten. The food liquid containing solubles and gluten is continuously evacuated in the form of overflow settling over the lip 27.
A separate starch and carrier liquid sub-flow is established through the discharge nozzles 41, fills the volute chamber 64, and creates a head or pressure in the return circuit 81, whereby a pressure drop is created. a large controlled portion of the sub-flow material is continuously returned to the centrifugal rotor. The returned material projects upward from the orifice of nozzle 88, into impeller section 89, and is then led outward through tubes 93 to be finally discharged or discharged into the. confined annular recess or high speed chamber 51.
In a typical separation of starch and gluten, 85% or more of the discharged sub-flow material is continuously returned in this way to the centrifugal rotor, and the sub-flow material again discharges through the nozzles. 41, together with newly separated solids from the sub-flow.
The use of washing water or washing liquid introduced through line 82 is generally desirable to improve the efficiency of the separation, particularly when the food material contains solubles which it is desired to block or to keep out. of the sub-flow.
Washing liquid introduced through line 82 is used to displace. food liquid containing solubles of the sub-flow material at the inner periphery of the rotor bowl, and brings it into the overflow as displacement takes place, thus preventing the solubles from passing into the sub-flow. flow The washing liquid which displaces the feed liquid passes out into the sub-flow. When using a smaller amount of washing liquid than the liquid removed in the subflow, a state or condition called downflow exists in the rotor, and when an amount of washing liquid greater than the liquid removed in the sub-current is used a condition or upflow condition exists in the rotor.
During the downward flow a part of the food liquid passes out with the sub-flow and during the upward flow a part of the washing liquid moves against, flowing through the separation chamber to discharge with the overflow .
Ea relative amount of washing liquid used in practice
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depends on the type of operation being performed. In order to obtain maximum displacement of solubles in the overflow, it is customary to employ sufficient amounts of washing liquid to maintain an upward flow condition. When the requirements of the solubles separation are not imperative, the amount of wash water used can be reduced to establish a downflow condition. In cases where two or more centrifugal machines are used in cascade, the first centrifuge can operate with downward flow, and the second with upward flow.
Although it is impossible to make direct observations on what is happening in the centrifugal chamber 19, it follows from the observations '' - made and from the opinion of the Applicant, that the food liquid flows towards the down and out into section 28, passages 32 and orifice 33 adjacent to the bottom of chamber 19 and is forced upwardly through the internal conical surface of section 10 of the bowl into the chamber area 19 which surrounds the discs or plates 36, where the more dense constituents of the overflow feed are separated and exit through the orifice 104 (fig. 3) into the high speed chamber 51, and the overflow flows upward through the stack of discs 36, over lip 27, into volute 59.
In the stack there is a complete separation of the denser constituents of the liquids passing through the stack in an upward direction.
From chamber 51 the sub-flow discharges through nozzles 41 into volute 64. The sub-flow is divided in the desired proportion and part is discharged through line 83 (Fig. 2) while the remainder is returned through line 81, orifice 79 (fig. 1); and the impeller assembly, through tubes 93, with the desired amount of lifting liquid added through conduit 82 (Fig. 2).
The sub-flow and wash liquid mixture discharges through tubes 93 with relatively high radial velocity and jet action, from the outer ends of these tubes. As the material is confined in the tubes until it is discharged from the outer end thereof, a rotational speed is imparted to it which is approximately equal to the peripheral speed of the outer ends of the tubes.
Since the discs or plates 36 terminate away from the outer ends of the conduits 93, the material returned when it enters the recess or chamber 51 has a relatively high bulk density compared to the material of the main separation zone. of the chamber 19 surrounding the discs or plates 36, and this contributes to the jetting action of the tubes 93. Subflow material discharging through the tubes 93 apparently largely fills the peripheral space of the bowl or recess. 51 between the nozzles and circumferentially flows in a peripheral layer of live mud which discharges through the sub-flow nozzles 41.
As this live slurry flows into the recess 51, or along the outer periphery of the bowl when the recess 51 is not in use, a continual exchange of solids and liquids occurs between the slurry layer. upturned material and the material occupying the adjacent separation zone. Thus, solids separated by centrifugation from the food mass will move outward from the main separation chamber, through space 104, into recess 51.
Assuming that the amount of water or washing liquid is sufficient to determine an upward flow condition, washing liquid flows from recess 51, through space 104 in FIG. 3, in the main separation chamber, thereby to effectively displace food liquid and solubles, sub-flow solids separated by centrifugation.
It will be noted that this continual exchange between the material of the outer live mud layer and the material in the main part of the separation chamber, or adjacent separation zone, is distributed in a relatively uniform or even manner all around the rotor, while the returned material discharged from the outer ends of the tubes 93 is clearly localized.
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lized in regions midway between the discharge nozzles
41, Consequently the exchange takes place while the mass of the materials of the recess 51 where the layer of living mud flows circumferentially towards the nozzles 41.
The returned peripheral live mud layer is apparently kept in a state of continual agitation; due to the eddies or eddies imparted to the material in the tubes'93, and to the additional turbulence and eddies or eddies caused resulting from the projection of the material from the outer ends of these casings against the periphery of the bowl between the nozzles. This turbulence or eddies or eddies are largely confined to the live slurry layer and do not extend into the main separation chamber to interfere with effective separation action.
However, the formation of tetrahedra present in the previous machines, and due to the union of solids separated by centrifugation between the nozzles is either entirely prevented or kept within limits such as to avoid any interference with the operation of the machine. . This extremely strong effect is attributed to the sweeping action associated with the high bulk density of the returned living mud layer which circopferentially flows in recess 51.
An important feature of the invention resides in achieving higher separation yields with considerably increased capacities and, or the use of considerably larger amounts of wash water than was possible in previous machines.
By virtue of the invention, the feed rate can, according to this, be greatly increased over previous machines, and the amount of washing liquid can be greatly increased to ensure efficient separation with regard to both solids. than soluble. This result is attributed to the way in which liquid from the returned material is transferred to the main separation chamber, and also to the substantial or complete removal of tetrahedra of solids accumulated between the nozzles, which interfere with the capacity. and the separation efficiency. As indicated above, the relative amount of liquid or wash water used can vary depending on the separation requirements and the capacity desired.
When working under upflow conditions, a relatively high capacity can be maintained while the rotor can, at the same time, be supplied with sufficient wash water to provide upflow with a materially more efficient displacement of soluble in the overflow, as previously defined.
As a specific example, in one case the rotor had an outer diameter of 285.7 mm and was operating at a speed of 7000 rpm. The outer and inner diameters of the recess 51 were 260.3 mm and 234.9 mm respectively. Surfaces 52 and 53 had a radial width of 12.7mm and the vertical distance between these surfaces was 12.7mm. Twelve sub-flow relief nozzles were used, each of the nozzles having an effective nominal orifice diameter of 1.62 mm.
Twelve tubes 93 are used, each of them having an internal diameter of 7.9 mmo The outer ends of these tubes were arranged midway between neighboring nozzles The return inlet opening, 91, abait a diameter of 38 mm and the internal diameter of the overflow lip was 78.2 mm. The machine was operating on a feed of 14.5 Bé starch containing 25.8% solids. This liquor was supplied to the machine at the rate of 340,000 cc per minute with overflow discharge at the rate of 280,000 cc per minute and sub-flow removal at 26,700 cc per minute. The sub-flow was maintained at 18.2 Bé and contained 32% dry solids. Fresh wash water was added at the rate of 200,700 cc per minute.
The material discharged from the subflow nozzles at the rate of about 2260700 cc per minute, and the subflow was continuously returned to the rotor at the rate of about 200000 cc per minute. The separation capacity in terms of dry starch, per 24 hours, was 14,074 Kgs and this result was achieved with a very efficient separation (minimum of starch solids in the overflow and minimum of solubles in the sub. - evacuated flow). This result contras-
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te with a maximum capacity of about 40,540 Kos per 24 hours for a machine of comparable dimensions constructed in substance as illustrated by the U.S. patent. 1,945,786 and operating with a comparable separation efficiency.
During operation of the machine, a complete absence of clogging or obstruction of the sub-flow nozzles and tubes 93 was observed and no actual presence of accumulated tetrahedra was observed as in the previous machines when the machine has been checked after trial runs.
The machine exemplified above was not provided with any screen or barrier member 101. With such a barrier in place, the capacity of the machine is practically the same, but the efficiency. The separation of the solubles contained in the feed is appreciably improved. In other words, there was a more efficient moving action to bring these solubles to the overflow.
After extended periods of operation, a dismantling of the machine (established according to the previous model) revealed no accumulation of solids, such as had formed in earlier machines, in the chamber. centrifugal or in the annular recess 51. According to the observations made, and the opinion of the applicant, the absence of these accumulated solids is largely the cause of the absence of obstruction or clogging of the discharge nozzles of the sub. -flow, and also helps to achieve the remarkably high separation capacity.
In addition, it is well known that accumulations of starch or similar solids in centrifugal machines used to process food products are open to objection, as these deposits are a possible source of contamination by bacteria or the like. microorganisms, or may require expensive downtime to clean the machine. Reference has previously been made to the relatively high flow rate through tubes 93.
The high velocity flow through the tubes is desirable, not only as it determines the desired circumferential peripheral flow of live slurry between the nozzles, but also because it prevents clogging of the nozzles. passages through the tubes; The relatively high velocity flow through the tubes 93 is due in part to the relatively high differential head load applied to the returned material. This can be better understood with reference to Fig. 1. Thus, as in the case of the exemplary dimensions specified, the inlet 91 of the impeller section 89 is comparatively narrow compared to the diameter of the overflow lip. 27.
At rotational speeds as used to achieve good separation, the relatively large difference in diameter at these points results in a substantial difference in the height of hydraulic head between the sub-flow material which is. returned into the recess 51 at the outer ends of the tubes 93 and the height of the load on the material moving outwardly through the separation chamber at the outer ends of the tubes 93. For the particular machine specified in the example Previously, the differential head height at the outer ends 98 of the tubes 93 is theoretically calculated to be on the order of about 55 m of water at a rotational speed of 7000 rpm.
In practice, it is preferred that the differential charge height be on the order of 15 to 30 m of water or more.
The invention may be modified in various ways within the scope of the appended claims. Thus, in replacement of the tubes 93, castings or other structures can be used which provide comparable passages for discharging the material returned from the sub-flow into localized regions intermediate between the sub-flow discharge nozzles, in a substantially manner. identical to tubes.
The return circuit does not necessarily have to be a direct closed return passage as shown in figure 2. Thus, it is possible to insert in the return circuit a windbox or a flotation cell as disclosed in the diagram. US patent 2,039,605.
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In the embodiment of the invention illustrated in Figure 6, the recess 111 corresponding to the recess or high speed chamber 51. of Figures 1 to 5, is defined by an outer curved wall 112 and the upper and lower surfaces 113 and 114. The tubes 116, corresponding to the tubes 93, have their ends 117 terminating in the recess 111. The tubes are provided with pads 118 to come to rest on the adjacent surface of the bowl. It should be noted that in this embodiment the member forming a screen or barrier 101 has been omitted.
In the embodiment illustrated in Figures 7 and 8, the construction of the bowl is further simplified. Tubes 121 deliver the material returned to the outer portion of the separation chamber and to intermediate locations between the discharge nozzles. A screen 122 is placed over the tubes 121 and another screen or barrier 123 extends between the tubes 121 and down from the outer periphery of the screen 122. This construction in fact provides an annular space 124 which serves in place of the annular bowl recess 51 of FIG. 1.
A further simplified embodiment of the invention is illustrated by figs. 9 and 10. In this case the construction of the bowl is the same as in fig. 7, and tubes 126 discharge sub-flow material into the outer peripheral portion 127 of the separation chamber. The outer ends of tubes 126 are disposed midway between the sub-flow discharge ports. This embodiment enables a higher capacity to be achieved than conventional centrifuges, although it is not as efficient as the previously described embodiments providing a high capacity together with efficient movement of the solutions by washing fluid. .
The invention can be carried out in other specific forms without departing from its spirit or deviating from its essential characteristics. The embodiments defined are therefore to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than by the foregoing description, and all modifications falling within the scope of the term "equiv. - valence "and the range of equivalents of the claims are therefore to be considered as included therein.
CLAIMS.
1. In a method of centrifugal separation of solid matter from liquids, the operations of bringing the material to be separated into a rotating separation zone, in which the solid is sent axially outwards and the liquid passes axially. 'inwardly, removing liquid axially within said separation zone, removing solids separated at spaced points adjacent to the outer periphery of said separation zone, and returning a part. tie said separated solids, through said separation zone, isolated from the food material, and discharge it between said spaced points adjacent to the outer periphery of said separation zone at a speed sufficient to conduct the separated solids at said spaced points.