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H. FREEMAN et J.D. BOADWAY. résidant respectivement à CAP DE LA MADELEINE et à THREE RIVERS (Canada) .
PROCEDE ET DISPOSITIF POUR TRAITER DES SUSPENSIONS DE PULPE ET D'AUTRES FLUIDES EN VUE D'EN ELIMINER DES GAZ ET DES PARTICULES INDESIRABLES.
La présente invention concerne les procédés et les dispositifs destinés à extraire des gaz et de la vapeur, et aussi, si on le désire des particules solides constituant des impuretés, contenus dans des liquides et des suspensions liquides; parmi d'autres utilisations variées possibles, l'in- vention convient particulièrement pour le traitement des suspensions de pâte à papier.
Les suspensions de pâte ou pulpe, telles qu'elles sent fournies aux machines à fabriquer le papier, comprennent ordinairement des quantités considérables de gaz et de vapeur, qui contiennent de l'air, du gaz carboni- que et de la vapeur d'eau; ces gaz sent partiellement dissous dans le liquide, partiellement adsorbés dans la fibre,contenus en partie dans des bulles d' écume à la surface du mélange et dans d'autres bulles accrochées aux particu- les de fibre de bois à travers la masse du mélange; sous l'action de ces gaz, les fibres se formant en flocons et s'accumulent d'une manière excessive au voisinage de la surface du mélange. Dans des cas typiques, ces gaz peuvent atteindre en volume 3% du Mélange de pulpe dans le caisson de tête de la ma- chine à fabriquer le papier.
Dans un cas caractéristique, les bulles contien- nent environ 10% du gaz contenu dans la pulpe. On a estimé pendant un certain temps qu'un pouvait obtenir des avantages appréciables en éliminant ces bulles, ainsi que les gaz dissous et adsorbés, avant de faire arriver le mélange dans la machine à fabriquer le papier.
Ces avantages comprennent la suppression de la mousse nuisible dans le caisson de tête de la machine, l'augmentation du taux de drainage, la diminution du temps de séchage nécessaire pour le papier, des améliorations dans la formation et la qualité de celui-ci, la réduction du nombre des ruptures du papier sur la machine, la réduction du pourcentage nécessaire de sulfite, et enfin une augmentation générale pouvant atteindre plusieurs unités pour cent dans le rendement des machines à fabriquer le pa-
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pier;
cette amélioration du rendement représente une grande économie dans l'industrie du papier, en même temps qu'une amélioration de la qualité et de l'uniformité du papier fabriqué. On a proposé jusqu'à présent d'extraire ces gaz de la pâte à papier en appliquant un vide aux machines Jordan utili- sées pour le traitement de la pulpe;cependant, cette proposition, autant qu'on le sache,ne s'est pas révélée, pour de multiples raisons, efficace et commode pour une application extensive quelconque.
Plus récemment, on a imaginé un dispositif pour pulvériser la pâte à papier contre des plaques de déflexion dans un réservoir sous vide,de manière à extraire les gaz par l'effet combiné de l'ébullition sous vide et du choc; malheureusement, 1' équipement nécessaire pour appliquer ce moyen est compliqué, encombrant, et entraîne des investissements très importants de capitaux, en même temps qu' une dépense excessive pour l'utilisation et pour l'entretien. D'autre part, un tel équipement ne peut pas extraire plus de 70% environ des gaz.
La présente invention réalise au contraire un procédé et un dis- positif efficace et relativement peu coûteux, pour extraire les gaz et les va- peurs de la pâte à papier ou d'autres liquides ou suspensionsgrâce à ce procédé et à ce dispositif, on peut en même temps9 si on le désire,extraire efficacement du liquide les impuretés ou autres particules solides indésira- bles, en accomplissant ainsi deux fonctions utiles simultanément avec le même dispositif relativement simple.
Le procédé conforme à l'invention et considéré sous son aspect le plus général consiste à maintenir un mouvement tourbillonnaire à grande vitesse, dans le liquide ou le mélange liquide à traiter, autour d'un noyau de gaz que l'on maintient à une pression inférieure à la pression atmosphé- rique en faisant échapper continuellement le gaz en dehors de ce noyau avec un débit suffisant pour maintenir également les portions internes du liquide en mouvement tourbillonnaire à une pression inférieure à la pression atmosphé- rique-de cette manière, les gaz dissous et les gaz adsorbés dans ces portions intérieures sont libérés; les bulles de ces gaz libérés, ainsi que toutes les bulles pouvant exister primitivement, sont chassées jusqu'à l'intérieur du noyau par l'action de la force centrifuge du mouvement tourbillonnaire ;
en même temps, si le mélange contient des particules quelconques plus lourdes que l'on désire séparer, ces particules sont chassées dans les parties extérieures du tourbillon et peuvent être extraites ou être déchargées dans un courant comprenant une petite portion du mélange, tandis que le liquide traité désiré est extrait séparément en un point approprié après qu'il a été soumis à 1' action du tourbillon.
Une autre caractéristique importante du mode de réalisation préfé- ré de l'invention consiste à entretenir le mouvement tourbillonnaire dans le sens inverse; autrement dit, quand le liquide du tourbillon a suivi un chemin hélicoïdal sur une distance considérable dans une première direction, sous la forme d'un tourbillon extérieur, on renverse la direction de progression de ce tourbillon, de manière que le liquide forme un tourbillon de retour inté- rieur et plus petit qui entoure le noyau évacué et qui est soumis ainsi à la pression sous-atmosphérique sur une distance considérable, tout en étant en- touré par le tourbillon extérieur.
Dans ce mode de réalisation, si le mélange contient des particules quelconques plus lourdes que l'on désire séparer, ces particules peuvent être retirées commodément de la périphérie près du point d'Inversion du mouvement, le liquide traité étant retiré à l'extrémité du tourbillon intérieur,du côté opposé au point d'invensin, et le gaz étant extrait du noyau à l'une ou à l'autre extrémité de celui-ci.
On estime que ce mode de réalisation est particulièrement efficace pour séparer les gaz contenus dans des mélanges du genre des suspensions de pulpe, en raison d'un effet de cisaillement ou d'un effet analogue auquel le tourbillon extérieur soumet la suspension du tourbillon intérieur, d'oû il résulte que les bulles qui s'accrochent solidement à la fibre ou qui sont enveloppées par celle-ci en sont chassées ; efficacité particulière s'explique aussi par le fait que la couche tubulaire et relativement mince du liquide formant le tourbillon intérieur est soumise sur une grande distance à la faible pression sous-atmos- phérique du noyau, comme cela est nécessaire pour libérer effectivement les
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gaz dissous et adsorbés.
Bien que ceci ne soit pas nécessaire, il est cependant préférable d'introduire la pâte à traiter tangentiellement à une extrémité d'une chambre tourbillonnaire,de manière que le courant hélicoïdal s'étende le long des parois de la chambre jusqu'à l'autre extrémité de celle-ci, ce courant se ren- versant ensuite et formant le tourbillon intérieur de retour qui entoure le noyau évacué et qui revient jusqu'à une sortie concentrique de la pâte en papier, à la première extrémité de la chambre. Si l'on veut éliminer des impuretés ou des particules indésirables on évacue la petite quantité des pâte qui les contient ; on retire cette quantité de pâte en un point voisin de la paroi de la chambre et sensiblement écarté de l'entrée de la pâte.
Le mode de réalisation que l'on vient de décrire convient particu- lièrement pour traiter les suspensions de pâte à papier ; il est bien entendu cependant que l'invention peut convenir aussi bien pour traiter de nombreux autres liquides, par exemple pour retirer les gaz, les vapeurs et les particu- les indésirables contenus dans de l'eau ou de l'huiler elle convient également au traitement de suspensions variées de minerais et au traitement de nombreux types de mélanges liquides chimiques d'où il est important de retirer les gaz liquides et adsorbés et les bulles, ainsi que les particules constituant des impuretés.
Différents autres buts, caractéristiques et avantages plus particu- liers de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre et qui se réfère au dessin annexé dans lequel s
La figure 1 est une coupe verticale et quelque peu schématique d' un mode de réalisation du dispositif principal séparateur conforme à l'inven- tion; la figure 2 est une perspective représentant l'extérieur d'un tel dispositif sous sa forme préférée, et une disposition préférée des appareils et connexions accompagnant ce dispositif; la figure 3 est une coupe verticale à une certaine échelle d'un mode de réalisation préféré de la tête utilisée dans le dispositif principal séparateur; la figure 4 est une coupe faite sensiblement suivant la figure 4-4 de la figure 3;
la figure 5 est une coupe faite sensiblement suivant la ligne 5-5 de la figure 4; la figure 6 est une coupe dessinée à l'échelle et analogue à la figure 5, mais représentant une variante de la tête du séparateur; la figure 7 est une coupe verticale représentant en détail un mode de réalisation préféré de la pièce inférieure d'extrémité destinée aux sépa- rateurs tourbillonnaires principaux conformes à l'Invention; la figure 8 est une vue à grande échelle et partiellement coupée d'un dispositif faisant partie de l'ensemble représenté sur la figure 2 et destiné à extraire de la pâte traitée les bulles et les gaz qui n'ont pas été éliminés dans le dispositif séparateur principal; la figure 9 est un schéma montrant le mode d'action du dispositif de la figure 8;
la figure 10 est une coupe verticale d'une variante de la portion inférieure de la chambre tourbillonnaire principale ; la figure II est une coupe faite sensiblement suivant la ligne II-II de la figure 10; les figures 12 et 14 sont des coupes verticales de deux autres modes de réalisation; les figures 13 et 15 sont respectivement des vues par en-dessus des dispositifs des figures 12 et 14;
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les figures 16 et 17 sont des coupes verticales d'autres modes de réalisation la figure 18 est une coupe faite sensiblement suivant la ligne 18- 18 de la figure 17; et la figure 19 est une coupe verticale d'un autre mode de réalisa- tion.
Si on considère plus en détail la figure 1, on constate que le dispositif séparateur conforme à l'invention et représenté sur cette figure d'une manière schématique comprend une chambre allongée 10 de section circulai- re ayant de préférence une forme cylindrique, bien que celle-ci ne soit pas né- cessaire, au moins dans les parties principales de son corps. Cette chambre doit avoir de préférence une longueur égale à plusieurs fois son diamètre, en. particulier si le dispositif et le procédé doivent servir à extraire du liqui- de des Impuretés et d'autres particules solides en même temps que des gaz.
Dans un cas typique, par exemple, où le diamètre intérieur de la chambre était égal à 10 cm, sa longueur était égaie à lm,25 entre sa partie supérieure et sa partie inférieure.11 faut noter que cette chambre de sépara- teur est représentée sur le dessin en position verticale et que, pour plus de commodités,on désigne l'extrémité d'admission par l'expression "extrémité su- périeure"; il est bien entendu cependant, que l'on peut monter en réalité le dispositif horizontalement, ou suivant un angle quelconque par rapport à la verticale, ou même dans une position inversée.
Les forces centrifuges à 1' intérieur du liquide contenu dans le dispositif sont si grandes que l'effet de la gravité sur les conditions de fonctionnement dans cette chambre est sen- siblement négligeable si, comme cela peut être parfois pratique pour économiser la hauteur disponible, la chambre est montée en position horizontale ou suivant un autre angle quelconque par rapport à la verticale.
A l'extrémité supérieure de la chambre se trouve une ouverture d * admission 11 disposée de manière que l'on puisse injecter la pâte à traiter gangentiellement à l'Intérieur de la chambre et provoquer ainsi un écoulement hélicoïdal du mélange liquide (comme l'Indique l'hélice 12) vers le bas et la long des parois Intérieures de la chambre jusqu'à la région voisine de l'extré- mité inférieure de la chambre, le courant hélicoïdal ou tourbllonnaire , dans les modes de réalisation préférés représentés ici, se renversant alors et for- mant un tourbillon intérieur (comme l'indique l'hélice 13), qui se déplace vers le haut et entoure un noyau central 14, dans lequel on a fait le vide et qui est sensiblement et uniformément libre de tout liquide.
Dans le mode de réalisation particulier de la figure 1, l'extrémité inférieure de la chambre contient une cloison ou diaphragme vertical 15 dont la forme gé- nérale est conique;ce diaphragme comporte à son sommet une sortie centrale de gaz 16 disposée dans le noyau 14; un dispositif tel qu'une pompe à vide, communique avec l'espace 17 sous le cône et est connecté à cet espace par une conduite 18 de manière à évacuer constamment les gaz et la vapeur en dehors de la région centrale ou noyau 14; cette pompe à vide soumet ainsi la couche tubulaire du liquide qui forme le tourbillon inférieur 13 à une pression sous- atmosphérique sur toute sa longueur.
Toutes les Impuretés ou autres particules solides plus lourdes que le liquide ont fortement tendance à être chassées radialement vers l'extérieur dans le courant hélicoïdal, c'est-à-dire vers les parois intérieures de la chambre, et comme on l'a indiqué en 19, vers les portions inférieures de la chambre; ces particules s'accumulent le long de-ces parois et sont entraînées vers le bas jusqu'à la périphérie du cône 15, ou elles peuvent être déchargées d'une manière appropriée quelconque, de préférence en même temps qu'une faible portion du liquide qui se trouve à cet endroit sous pression, à travers une petite conduite tangentielle 20.
La pâte traitée est entraînée en grande partie dans le tourbillon intérieur s'écoulant vers le haut, et elle est évacuée de préférence à travers une conduite de sortie 21 disposée concentriquement par rapport à la chambre; cette conduite peut être connectée à une pompe d'aspiration, comme on l'a in-
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diqué sur la figure ou à un dispositif équivalent quelconque, dans le but de retirer la pâte de la région entourant le noyau soumis au vide.
Par exemple, comme on l'expliquera plus loin en considérant la figure 2, la conduite d'évacuation de la pâte traitée peut comporter un raccord approprié permettant d'utiliser la même source de vide que celle appliquée à la sortie
18 des gaz.
Les séparateurs du type tourbillonnaire utilisés commercialement le plus souvent jusqu'à présent pour .séparer les impuretés des suspensions de pulpe étaient tels qu'aucune région centrale ou noyau contenant du gaz ne se formait dans leurs courants tourbilonaiers ou qu'une telle région était très réduite;une telle région centrale, si elle se présentait, était trop petite et Irrégulière pour permettre l'évacuation du gaz et pour qu'on puis- se y maintenir une pression inférieure à la pression atmosphérique. Pour ré- aliser la formation d'une région centrale ou noyau libre de tout liquide, symétrique et ayant des dimensions appréciables, comme on le voit sur la figure 1, il est important d'Injecter le liquide avec une vitesse appréciable, égale par exemple dans des cas typiques à 15 m par seconde ou davantage.
Dans ce but, le raccord d'entrée il doit être étranglé, au voisinage de la région où il pénètre dans la partie supérieure de la chambre 10, par comparaison ave c la section transversale du courant en amont de cette région. Cet étranglement a pour effet de convertir une portion appréciable de l'énergie de pression du courant en énergie cinétique; une vitesse suffisante est ainsi communiquée au liquide des tourbillons de la chambre pour permettre de maintenir l'existence d'une région centrale ou noyau sous vide ; enmême temps, 1'1 efficacité de sédimentation est considérablement augmentée dans les tourbillons, puisque cette efficacité varie comme le carré de la vitesse et en raison inverse du débit.
On pourrait penser qu'il est désirable d'étrangler convenablement 1' ouverture d'entrée pour convertir sensiblement toute l'énergie de pression en énergie de vitesse, afin d'améliorer d'une manière importante l'efficacité de séparation ; fait, cette solution a été proposée jusqu'à présent en ce qui concerne les séparateurs d'Impuretés, du type tourbillonnaire destinés aux suspensions de pulpe.Cependant, ce procédé est illusoire parce que, si pres- que toute l'énergie de pression était convertie en énergie de vitesse, 11 n'y aurait pas une profondeur suffisante de liquide dans le tourbillon, sur la paroi de la chambre, pour permettre pratiquement une séparation et une évacua- tion correctes des Impuretés.
Pour attendre les buts que s'est proposés la présente invention,, l'étranglement de l'ouverture d'entrée doit être de pré- férence progressif pour assurer un courant de liquide régulier et doit être juste suffisant pour former dans la chambre la région centrale libre de liqui- de et soumise au vide; cet étranglement doit être assez large pour qu'on puis- se en évacuer le gaz séparément, mais ne doit pas être assez large pour empê- cher le liquide du tourbillon intérieur progressant vers le haut d'être évacué à travers une ouverture de sortie telle que 21 ayant des dimensions appropriées lui permettant d'être disposée à l'intérieur du tourbillon extérieur.
Par exem- ple, si la chambre 10 a un diamètre de 10 cm et si on fait arriver dans le sé- parateur un courant d'un diamètre de 7,5 cm, le noyau central de gaz peut avoir avantageusement un diamètre d'environ 3,75 cm; on a obtenu ce résultat en don- nant à la section la plus étroite de l'ouverture d'entrée des dimensions ap- proximativement égales à 5 cm x 1,9 cm, de sorte que le rapport de la tête de pression à l'entrée et de la tête de vitesse résultante était égal à peu près à 1,12.
Le diamètre intérieur de l'extrémité interne de l'ouverture de sortie 21 peut être alors avantageusement égal à peu prèsà 5,62 cm, c'est-à-dire que la section correspondante peut être égale au double de la section transversale de la région centrale sous vide, et l'ouverture de sortie 16 du gaz peut avoir avantageusement un diamètre de 1,87 cm.
Dans un autre exemple, le diamètre Intérieur de la chambre 10 était de 25 cm et le diamètre Intérieur de la conduite aboutissant au dispositif était de 20 cm; à l'endroit le plus étranglé de la tête, les dimensions étaient égales à peu près à 14 cm x 3,4 cm, de telle sorte que 505 environ de l'énergie de pression à l'entrée était converti en énergie cinétique. On estime que les li- mites généralement pratiquées et réalisables pour ces pourcentages peuvent va-
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rier de 40 à 60% environ avec un séparateur comportant des ouvertures de sor- tie disposées comme sur la figure 1.
11 faut noter que, tout au moins à l'Intérieur de limites très larges., la pression avec laquelle la pâte à papier arrive dans l'ouverture d' admission n'exerce qu'un effet très faible sur les dimensions du noyau cen- tral soumis au vide, Ainsi, pour les exemples mentionnés plus haut, tandis que la suspension de pulpe arrivant avec une pression d'environ 1,75 kg/cm2, on pouvait cependant faire varier considérablement cette pression à partir de cette valeur si on le désirait. Comme on peut le démontrer mathématiquement, il existe des facteurs de compensation qui permettent au noyau central de conserver des dimensions appropriées quand la pression d'arrivée du liquide augmente ou diminue à l'intérieur de limites assez larges.
Autrement dit, si la pression d'alimentation est plus élevée et tend à s'établir dans le noyau central évacués, la vitesse du liquide augmente d'une manière correspondante et tend à augmenter les dimensions du noyau; inversement, si la pression dimi- nue et tend à augmenter les dimensions du noyau;, la vitesse diminue d'une ma- nière correspondante et tend à réduire les dimensions du noyau. Cependant, pour obtenir les meilleurs résultats, il faut déterminer avec soin la forme progressive de l'étranglement de l'entrée et l'importance de cet étranglement.
Les figures 3 à 5, qui sont dessinées à l'échelle, montrent des cavités dont les formes permettent de réaliser correctement la conversion d'énergie avec le rapport de 1,12 du premier exemple cité plus haut, avec un raccord de la conduite d'entrée de 7,5 cm et une chambre de séparation de 10 cm. La figure 6, dessinée également à l'échelle, correspond à la figure 5, mais représente des cavités capables par leur forme de réaliser une conversion d'environ 50% de l'énergie d'entrée en énergie cinétique, pour une chambre d'un diamètre de 25 cm et une conduite d'alimentation d'un diamètre de 20 cm.
Comme on le voit sur les figures 3 à 5, la tête ou pièce d'entrée 11a peut consister en une pièce moulée qui est vissée en 25 sur l'extrémité supérieure de la chambre 10a, constituée elle-même par une certaine longueur de tube du diamètre désiré, Comme on peut le remarquer, la pièce moulée 11a peut faire corps avec la pièce de sortie 2:La de la pâte et l'extrémité supé- rieure de cette pièce 21a peut comporter une bride de connexion 26 qui permet le raccordement avec une tubulure aboutissant à une pompe à vide ou à un autre appareil que l'on décrira ci-après.
Le raccord d'entrée peut comporter aussi une bride 27 permettant le raccordement à une tubulure d'admissiono Si on met à part ses dimensions et la forme légèrement différente de sa cavité d'admission, la tête de la figu- re 6 peut être analogue à celle des figures 3 à 5, bien que, comme le montre la figure 6, une collerette 28 soit prévue et adaptée pour le raccordement à la chambre de séparation.
Comme le montrent les figures 1, 3 et 4, le raccord de sortie (21 ou 21a) a de préférence une forme telle que son diamètre augmente légère- ment et progressivement dans le sens de l'écoulement du liquide. Dans cette région l'énergie cinétique initiale des tourbillons a légèrement diminué en raison du frottement, et on reconvertit en énergie de pression une partie de l'énergie cinétique en augmentant légèrement la section transversale du cou- rant de sortie.Pour ces raisons, le diamètre du noyau central soumis au vide tend rapidement à diminuer, comme on le voit en 30 (figure 1) dans le courant de sortie, bien qu'un peu de gaz soit généralement évacué en même temps que la pâte traitée dans le courant de sortie ;
ce dernier cas, ce gaz peut être séparé du liquide de la manière qui sera expliquée un'peu plus loin. Si la sortie Inférieure du gaz est ferméeon peut évacuer tout le gaz à travers l'ouverture de sortie 21.
Dans la disposition représentée sur la figure 2, la chambre de séparation désignée par 10a comporte une tête 11a à laquelle est connectée une conduite d'entrée 31 pour faire arriver dans .le dispositif la pâte à traiter à partir d'un moyen de pompage quelconque approprié (non représenté).
L'oriffice de sortie 21a de la pâte est connecté à une conduite 32, connectée elle-même à une chambre de séparation 33 de manière à diriger tangetiellement
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dans cette chambla pâte évacuées, ainsi que les gaz et vapeurs qui peuvent avoir été évacués en même temps que celle-ciL'extrémité supérieure de cet- te chambre est reliée à une pompe à vide 37 au moyen de conduites 34, 35 et
36, L'extrémité inférieure de la chambre 33, dans l'exemple représenté, com- munique avec l'extrémité supérieure d9une conduite 38 attendant vers le bas sur une distance verticale supérieure à 9m,60;
cette conduite 38 constitue ainsi ce que l'on appelle "une branche barométrique % dont l'extrémité inférieu- re aboutit dans un caisson 40 destiné à recevoir la suspension de pâte traitée et pouvant être constitué? si on le désir, par le caisson de tête d'une machi- ne à fabriquer le papiero
La pâte évacuée est rejetée par une conduite 32 dans la chambre
33 et maintient cette chambre partiellement remplie par un courant tourbillon- naire, comme on l'expliquera ci-dessous avec plus de détails; les gaz et va- peurs existant dans la partie supérieure de la chambre 33 sont évacués par la pompe à vide 37 et séparés ainsi rapidement de la pâte traitée.
La suspension de pâte à papier, telle quelle est introduite dans la chambre 10a dans un cas caractéristique.?peut être à une température d'envi- ron 38 C; cependant.? dans d'autres cas.? la pratique Industrielle conduit à une température plus basse ou à une température pouvant atteindre 54 C. La pompe à vide 37 doit être de préférence suffisamment volumineuse et efficace pour réduire la pression existant à l'intérieur du noyau sous vide de la chambre 10a à une valeur à peu près égale ou inférieure à la pression de vapeur du li- quide à la température de traitement de celui-ci (pression comprise en valeur absolue entre 4 et 8 cms de mercure dans certains cas typiques).
Qu'il y ait ou qu'il n'y ait pas une quantité de gaz appréciable évacuée en même temps que le liquide traité déchargé dans la chambre 33, il y a au moins de la vapeur dans la partie supérieure de cette chambremais cette vapeur est constamment évacuée par la conduite 35, et la branche barométrique 38 permet naturellement de maintenir d9une manière continue le vide dans la partie supérieure de la chambre 33o Cependant, pour empocher la vapeur,et éventuellement la mousse, d'atteindre la pompe à vide et d'empêcher le fonctionnement efficace de celle- ci, on condense de préférence la vapeur en introduisant dans la conduite 35 par un raccord 41 de l'eau froide pulvérisée.
La vapeur condensée et l'eau introduite s'écoulent vers le bas à travers les conduites 36 et 42 dans une autre branche barométrique 43 dont l'extrémité inférieure aboutit à un cals- son 44.
L'extrémité inférieure de la chambre principale de séparation 10a est munie d'un raccord 45 qui peut être construit soit sensiblement comme le raccord Indiqué à la base de la figure 1, soit de préférence conformément à la variante décrite ci-après. Dans tous les cas, le raccord de sortie du gaz 18a est connecté à une conduite 42 au-dessus de l'extrémité supérieure effective de la branche barométrique 43.
Ainsi, les gaz et vapeurs évacués par l'extrémité inférieure de la chambre 10a sont dirigés vers le haut jusque dans la conduite 35 en même temps que les gaz et les vapeurs venant de la par- tie supérieure de la chambre 33.11 apparaît que la connexion de la marne sour- ce de vide aux sorties supérieure et Inférieure de la chambre 10a constitue un moyen commode pour réaliser dans cette chambre des conditions de stabilité, sans qu'il soit nécessaire de régler la succion à l'une des extrémités pour l'empêcher de s'opposer à une évacuation uniforme du fluide à l'autre extré- mité.
Toute fraction de vapeur qui tend à se condenser dans la conduite 18a de sortie du gaz est déchargée dans la branche barométrique 43.
Les impuretés et les autres particules solides indésirables sont déchargées à partir du raccord 45 de la base de la chambre 10a à travers une conduite 20a; cette conduite possède des dimensions appropriées pour pouvoir décharger, de préférence tangentiellement une quantité suffisante de liquide en même temps que les particules,, de manière que cette conduite ne puisse pas se boucher. Cette conduite 20a peut comporter un regard en verre 52 et un robinet 53et peut se décharger également à travers une branche barométrique 54. Cependant,la présence d'une branche barométrique à cet endroit n'est
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pas essentielles, puisque le liquide sort généralement avec une pression de 0,35 kg/cm2.
On peut naturellement régler le débit des matières évacuées en agissant sur le robinet 53. On peut traiter de nouveau les matières rejetées à travers la conduite 20a, pour en récupérer une certaine quantité de matière utile, en les faisant passer à travers des séparateurs secondaires du type tourbillonnaire 11 est bien entendu que les branches barométriques mentionnées ci-dessus et des- tinées à maintenir dans le système la ondition de vide désirée constituent un moyen commode et peu coûteux permettant d'atteindre le but recherché, mais qu'on peut cependant les remplacer, si on le préfère par des éléments se présentait sous la forme de pompes soufflantes ou dorganes analogues.
D'autre part, comme 11 a été indiqué ci-dessus à propos de la partie supérieure de la figure l'on peut donner à la sortie de décharge 21 un diamètre allant en augmentant vers 1' extérieure en réalités, on peut réaliser cet évasement de la sortie 21 de manière qu'elle puisse se décharger à la pression atmosphérique ;dans ce cas,la pompe à vide utilisée peut être réalisée sous la forme d9une pompe d9 aspiration d'eau agis- sant à la fois comme pompe à vide et comme branche de lavage.
Pour retirer des suspensions telles que de la pâte à papier, les impuretés constituées par des particules solides aussi bien que les gaz, on a constaté qu'une pièce inférieure destinée à la chambre 10a et représentée sur la figure 7 était préférable et plus efficace. Cette pièce comprend une partie 60 en forme de cuvette montée d'une manière amovible à son extrémité supérieure sur l'extrémité inférieure de la chambre 10a au moyen de colleret- tes 61. A l'intérieur de cette pièce 60 est prévue une conduite coaxiale 62 de sortie de gaz, qui est de préférence coulée d'une seule pièce avec la par- tie 60; lextrémité inférieure du tube 62 se raccorde par un congé 63, de préférence à section arrondie, avec la base 64.
Un raccord d'accouplement 65 est prévu sur la face inférieure de la base 64 pour la fixation à une con- duite aboutissant à la pompe à vide. On prévoit une petité sortie de décharge 66 pour les particules rejetées, de préférence à travers la paroi de la partie 60 en forme de cuvette et à la base de cette partie; cette ouverture de sortie 66 est disposée de préférence tangentiellement, comme le montrent les lignes pointillées 67, et elle est dirigée dans une direction telle qu'elle reçoit sans choc le tourbillon de pâte rejetée sans lui communiquer aucune déviation irrégulière
Comme on peut le remarquer, le tube de sortie de gaz 62 se prolon- ge vers le haut un peu au delà du bord supérieur de la cuvette 60;
ce tube doit avoir un diamètre légèrement inférieur à celui du noyau central sous vide de la chambre 10a. La figure 7 montre les dimensions relatives préférées de la construction! cette figure est dessinée à la même échelle que les figures 3 à 5. Pour réaliser l'efficacité la plus grande dans la séparation des parti- cules d'impuretés, la paroi intérieure de la cuvette 60 doit être étudiée de manière à diriger progressivement vers l'intérieur, dans la direction de la partie tubulaire 62, sans choc et sans turbulence irrégulière, le tourbillon liquide progressant vers le bas;
ainsi, des portions intérieures de plus en plus importantes de ce tourbillon, portions qui sont alors sensiblement dé- barrassées des particules d'Impuretés, renversent leur direction de progres- sion et avancent vers le haut d'un mouvement hélicoïdal.
Pendant ce temps, les portions extérieures extrêmes du tourbillon dirigé vers le bas continuent à progresser vers le bas le long des parois et transportent avec elles les particules d'impuretés jusqu'à la base 64, et en- suite jusqu'à l'extérieur en 67, les portions finales de ce tourbillon qui n' ont pas été rejetées à l'extérieur renversant aussi leur mouvement pour s'écou- ler vers le haut sous l'action du congé incurvé 63 prévu à la base du tube 62.
Si on suppose que la chambre 10a a un diamètre intérieur de 10 cm et que la profondeur intérieur de la cuvette 60 est égale à 17,5 cm, la paroi intérieure de cette partie 60 en forme de cuvette peut commencer, à la partie supérieure, à converger vers 1intérieur avec un angle de 5 sur une distance d'environ 2,5 cm vers le bas, puis peut converger avec un angle de 4 sur une longueur égale encore à 2,5 cm, et enfin converge respectivement suivant des
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angles de 3 et 2 vers le bas sur deux autres longueurs égales chacune à 2,5 cm.
Sur la longueur restante égaleà 7,5 cm, à la partie Inférieure de la pièce 50, les parois convergent de préférence suivant un angle d'environ 1
Dans le cas où l'organe représenté sur la figure 7 est utilisé avec une tête analogue à celle de la figure 4, la conduite de sortie de gaz peut avoir un diamètre intérieur d'environ 1,87 cm et une hauteur d'environ 21,25 cm la sortie 66 des Impuretés ayant un diamètre intérieur d'environ 0,93 cm.
Avec cette construction préférée II n'est pas nécessaire d'évacuer à travers la sortie 66 plus de 2% de la pâte à traiter pour pouvoir réaliser une efficaci- té élevée dans l'évacuation des impuretés, Une petite fraction de 1%, au lieu de 2% est suffisante pour extraire sensiblement la plus grande partie des impuretés, En même temps, on peut extraire des suspensions plus de gaz qu'il n'était possible de le faire avec l'équipement compliqué et coûteux mentionné ci-dessus, qui impliquait un traitement par ébullition, choc et vide. Les im- puretés séparées comprennent, non seulement du sable, mais aussi des particu- les d'écorce et un pourcentage important de fragments ou petits copeaux.
Le dispositif a aussi l'avantage que, si on désire l'utiliser seulement pour I' élimination des Impuretés, on peut arrêter ou déconnecter la pompe à vide ; le dispositif fonctionne encore d'une manière efficace pour extraire Ies im- puretés et les copeaux, tout en permettant au gaz contenu dans le mélange de pulpe de rester dans celui-ci, comme on le désire quand on fabrique certaines qualités de papier. Les effets obtenus sur la pâte traitée, suivant que l'on supprime ou que l'on applique à :L'équipement la connexion de vide, sont remar- quablement frappants.
La pâte traitée en utilisant la connexion de vide appa- raît uniforme depuis sa partie supérieure jusqu'à sa partie Inférieure, si on la place dans un bocal de verre et si on 3'observe même après un temps con- sidérable; au contraire, si on n'utilise pas la connexion de vide, la pulpe dans la pâte résultante a tendance à former des flocons jusqu'à une profondeur considérable près du sommet du corps du mélange., et le mélange est recouvert d'une couche de mousse, qui est asbolument inexistante sur la pâte dont on a éliminé les gaz.
II faut en outre remarquer que si on désire utiliser le disposi- tif de la figure 2 pour retirer du mélange liquide une fraction inférieure à 70% des gaz, la forme de cette chambre 33 n'a pas une grande importance, pour- vu qu'elle permette au liquidé traité sortant de la chambre 10a de tourbillon- ner et de descendre ensuite à travers la branche barométrique, pendant que les gaz et vapeurs quelconques sont évacués à travers la conduite 34;cepen- dant, si on n'évacue pas un pourcentage de gaz supérieur à 70%, quelques bulles ont tendance à rester dans le liquide évacué de la chambre 10a, et ces bulles restantes peuvent apparaître dans le caisson et donner naissance à une légère écume; après un fonctionnement prolongé, cette écume peut pro- voquer le rassemblement du goudron dont les particules se groupent sur les bulles.
D'autre part, si ces bulles restantes sont suffisantes pour que l'é- cume soit évacuée à travers la conduite 34, cette écume peut gêner le main- tien d'un vide approprié dans le système, ou encore elle peut entraîner tel- lement de fibres qu'il devient nécessaire d'utiliser un nouveau moyen de ré- cupération pour des raisons d'économie. Mais, on a constaté qu'il est possible d'éviter toutes ces difficultés en donnant à la chambre 33 de la figure 2 la forme représentée plus clairement sur la figure 8.
Comme on le voit sur cette figure, cette chambre est formée de préférence de deux parties, la partie su- périeure 70, qui est cylindrique, et la partie Inférieure 71 qui possède dans son ensemble la forme approximative d'un entonnoir vertical, avec sa partie supérieure s'évasant de plus en plus vers l'extérieur; en d'autres termes, cette partie 71 a la forme générale d'un cône Inversé et allongé, mais avec ses parois latérales bombées vers l'Intérieur par comparaison avec un cône véritable.
La forme théoriquement idéale de la partie 71 est telle que chaque section verticale à travers sa paroi s'étend sensiblement le long d'une cer- taine courbe logarithmique, comme on l'expliquera un peu plus loin; cependant, pour des commodités de fabrication et pour permettre d'utiliser facilement des tôles plates enroulées suivant une forme conique, la partie 71 peut être for- mée de quatre parties tronconiques 71a, 71b, 71c et 71d.
Pour des commodités d'expédition et d'assemblage, on peut relier entre elles les parties 71b et
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71c par des brides ou collerettes appropriées et détachables, tandis que les autres parties peuvent être assemblées par soudure;par exemple le bord péri-
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phérique supérieure de la partie 71a est soudé sur le bord périphérique iWé- rieur de la partie 70, et le bord inférieur périphérique de la partie 71a est
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soudé sur le bord supérieur périphérique de la partie 71ho L'extrémité infé- rieure d la partie 7ld comporte de préférence une bride détachable 73 réali- sant la connexion avec l'extrémité supérieure de la conduite de décharge ou branche barométrique 38.
Comme on le voit sur le dessin, la pâte pénètre tan- gentiellement à partir de la conduite 32, en un point voisin de la chambre 70,
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la pâte tourbillonnant sur eUe-même et agissant pour maintenir une couche tourbillonnaire, comme on l'a déjà indiqué, sur la face intérieure de la par- tie 71... Comme le montre le dessin, cette couche tourbillonnaire entoure un noyau central évacué, c'est-à-dire sous vide, qui devient de plus en plus pe- tit vers sa partie Inférieure et qui disparaît juste au-dessus de l'extrémité supérieure de la branche barométrique.
La courbe mentionnée plus haut est indiquée par la ligne 75 de la figure 8. Cette courbe est disposée de préférence entre les faces intérieu- re et extérieure de la couche tourbillonnaire et on peut la dessiner approxi- mativement en représentant graphiquement l'équation :
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h = g loge - dans laquelle :h est la hauteur d'un point quelconque ± de la courbe au-des- sus de l'extrémité Inférieure du noyau de gaz contenu dans le tourbillon;
V est la vitesse du liquide introduit dans la chambre pour créer le tourbillon; g est 1'intensité de la pesanteur; r est le rayon en ce point par rapport à l'axe du tourillon;
R est le rayon du courant à l'Intérieur de la courbe et à l'endroit de la conduite de décharge ou branche barométrique.
Cette équation est basée sur l'hypothèse que la vitesse V reste constante, cette hypothèse paraissant à peu près exacte pour des utilisations pratiques. SI on suppose que le tourbillon est limité par une surface dont la section est conforme à cette courbe, on peut montrer mathématiquement et théoriquement que la force appliquée à une particule en un point quelconque p de la courbe et tendant à déplacer cette particule vers le bas le long de cette surface est égale à la force qui tend à déplacer la particule vers le haut le long de la surface limite, ces deux forces se faisant équilibre.
D'autre part, sur une particule quelconque placée dans le tour- billon en un point situé à l'Intérieur par rapport au point ± la force est telle qu'elle tend à faire monter la particule, tandis que si l'étranglement de la chambre permet aux particules du tourbillon de se trouver juste à I' extérieur de la courbe 75, la force appliquée à ces particules a tendance à les faire descendre.
On peut expliquer ces phénomènes en considérant le sché- ma de la figure 9;sur ce schéma, une particule située au point 12. est soumise à une force centrifuge dirigée horizontalement, radialement et vers l'exté-
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rieur, cette force étant indiquée par le vecteur ü2 et elle est soumise en même temps à la pesanteur dirigée verticalement vers le bas et représentée par le vecteur go Sur ce schéma, l'angle que fait avec l'horizontale la surface supposée sur laquelle la particule se déplace est représenté en Ó.
Ainsi, le long de cette surface et vers le haut la particule est soumise à
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une force indiquée par le vecteur Y:t cos (X et elle est soumise cos e......e même temps, le long de cette surface et vers le bas, à une force égale et opposée qui est indiquée par le vecteur g sin Ó, pourvu que la dite sur- face se conforme à la courbe représentée par l'équation Indiquée ci-dessus.
En raison des faits précédents, si la couche tourbillonnaire est établie et maintenue dans la portion inférieure 71 de la chambre, en partie
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à 3.'intérieur et en partie à l'extérieur de la courbe 75, il apparaît que les portions intérieures du liquide ou du mélange liquide du tourbillon (où r est plus petit) ont tendance à monter et qu'une force notablement supérieure à
V2/r cos Ó, les empêche de tomber vers la sortie de la base de la chambre ; en même temps, les portions du tourbillon à l'extérieur de la courbe 75 (où r est plus grand) sont forcées de descendre le long de la paroi de la chambre sous l'action d'une composante de leur poids.
D'autre part, puisque le tourbil- lon possède nécessairement une vitesse angulaire produisant dans le liquide des bulles soumises à la force centrifugeces bulles sont chassées rapidement jusqu'à la surface Intérieure du tourbillon surface qui a tendance à monter ; ainsi, ces bulles ne peuvent pas s'échapper à la base du tourbillon.
Le même effet se produite non seulement sur toutes les petites bulles qui restent dans le liquide au moment où celui-ci est introduit dans la chambre, mais aus- si sur le gaz qui peut rester dans le liquide sous la forme de solution ou d' occlusion;en effet, puisque la couche tourbillonnaire contient un noyau de gaz maintenu constamment à une pression inférieure à la pression atmosphérique, le gaz restant encore dans le liquide en solution ou en occlusion a tendance à former des bulles qui se déplacent immédiatement vers l'intérieur et vers le haut jusqu'au noyau central soumis au vide, et ces bulles ne risquent pas par conséquent de se mélanger de nouveau au liquide; elles sortent par l'ori- fice inférieur d'évacuation.
La chambre 33 est représentée sur la figure 8 avec ses différentes parties dessinées à l'échelle et possédant par conséquent des dimensions rela- tives exactes, en supposant que la vitesse du courant introduit est égal à 2,1 m par seconde et que le rayon R du courant évacué à la base est égal à 5 cm, le rayon du courant d'entrée étant égal à 3,75 cm. Une chambre de cette di- mension et de cette forme est étudiée pour être utilisée dans un système tel que celui de la figure 2 dans lequel une chambre principale de séaration 10a est utilisée avec un diamètre Intérieur de 10 cm comme on l'a déjà indiqué.
Sur la figure 8, la paroi de la portion de chambre 71, y compris ses parties où les différentes sections sont assemblées, est disposée toute entière juste à l'extérieur de la courbe 75;cependant, on peut obtenir des résultats approximativement équivalents en plaçant l'entrée tangentielle de manière qu'elle projette le courant d'entrée légèrement vers le bas, comme le montrent les traits pointillés en 32', et en plaçant la paroi de la portion de chambre 71 sensiblement sur la courbe 75 ou même légèrement à l'Intérieur de celle-ci, en tenant compte de l'angle d'Inclinaison de l'entrée 32' vers le bas.
Ceci devient possible parce que, si le liquide introduit reçoit au début une accélération dirigée légèrement vers le bas, la force représentée par le vecteur cos Ó est surmontée dans les portions extérieures du r tourbillon en raison de la vitesse communiquée Initialement vers le bas, même si les portions extérieures du tourbillon ne sont pas à l'extérieur de la courbe 75.
Avec l'installation représentée sur la figure 2, comprenant une chambre 33 ayant la forme représentée sur la figure 8, on a constaté qu'on peut retirer jusqu'à 90% de tous les gaz contenus dans des suspensions typi- ques de pâte à papier et qu'on peut évacuer ces gaz suivant différents pour- centages plus faibles si on le désire, en réglant le degré du vide appliqué.
On estime qu'il n'est pas désirable dans les cas ordinaires de retirer plus de 90% des gaz et qu'il faut, dans certains cas, s'en tenir à un pourcentage plus faible, car on constate qu'en laissant une petite quantité de gaz celui- ci favorise le maintien de la fibre à l'état de dispersion. Autrement dit, une petite quantité de gaz restant tend à empêcher la fibre de se déposer au fond du liquide. Il semble cependant important dans la pratique courante, d' extraire sensiblement tous les gaz présents sous la forme de bulles, car au- trement le goudron tend à s'accumuler sur les bulles;en l'absence de ces bul- les, le goudron reste parfaitement dispersé et s'ajoute avantageusement aux autres matières solides contenues dans la suspension; il n'est donc pas utile de l'éliminer.
II est facile de déterminer le pourcentage optimum d'élimination
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des gaz en procédant à des essais de réglage du degré de vide avec la disposi- tif décrit stressas.
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On peat9 si on le désire, utiliser effectivement la chambre repré- santée sur la figure 8 pour séparer des gaz contenus dans des liquides ou des suspensions liquides, indépendamment de toute séparation préliminaire de gaz effectuée avec la chambre de séparation 10a.
Une chambre telle que celle de la figure 8 est beaucoup plus efficace pour cette application que ne le serait une chambre cylindrique si on veut maintenir un noyau de gaz ayant la forne d'un entonnoir! ceci est du au fait que le liquide du tourbillon est maintenu dans une zone assez Importante sous la forme d'une couche relativement minces, dont toutes les portions Intérieures extrmes peuvent ainsi être soumises à la pression Inférieure à la pression atmosphérique, cette pression, combinée avec la force centrifuge, étant extrêmement efficace pour chasser le gaz, quelle que soit sa forme,en dehors du liquide.
D'autre part,si une telle chambre était cylindrique avec un noyau de gaz en forme de cône inversé ou
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ayant une autre forme analogue il apparaît qu-une grande quantité du liquide contenu dans une telle chambre cylindrique resterait trop éloignée de la région de basse pression, c9est-à-dire de la région du noyau soumis au vide, pour être débarrassé effectivement de ses gaz.
La figure 2 représente en outre une disposition possible pour le traitement secondaire de la pâte à papier évacuée qui contient des impuretés, après qu'elle a été déchargea de la chambre principale de séparation 10a. En effet, un petit séparateur secondaire du type tourbillonnaire 80 est connecté à l'installation de manière à recevoir la pâte à papier évacuée au voisinage de l'extrémité Inférieure de la conduite 54o Le séparateur 80 peut être analo- gue à la chambre 10a au point de vue construction et fonctionnement; cependant, il n'est pas nécessaires dans les cas courants, de maintenir dans le sépara- teur 80, un noyau soumis au vide.
La conduite 54 peut être connectée de maniè- re à projeter la pâte soutenant das impuretés tangentiellement à l'intérieur
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d'une tête 81 analogue à la tête lia déjà décrite, mais plus petite que celle- ci et comportant une sortie de décharge 82 axiale pour la pâte débarrassée de ses .impuretés, cette sortie 82 est connectée à une conduite 83 aboutissant au caisson 40. La petite fraction de suspension qui est rejetée avec les impure- tés en dehors du séparateur 80 peut être déchargée tangentiellement à travers la conduite 83,puis à travers une valve d'évacuation réglable 84.
Avec le séparateur secondaire 80 connecté dans la position repré- sentée, il n'est pas nécessaire de prévoir une pompe pour l'alimenter en pâte
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â, papier, puisque la pâte déchargée de la chambre 10 est soumise va une certai- ne pression égale par exemple à environ 0,35 kg/cm2; cette pression, à laquelle s'ajoute la pression due à la hauteur de la colonne de suspension dans la con- duite 54, est largement suffisante pour réaliser la pression d'admission néces- saire dans la tête 81.
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Avec une chambre de séparation principale, telle que 30. mais ayant un diamètre de 25 cm, la partie inférieure de cette chambre peut être construi- te de préférence comme le montrent les figures 10 et II. Ici, la partie 60a en forme de cuvette est fabriquée de préférence indépendamment du fond 64a pour
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des raisons de commodité d.9usinage, ces deux parties sont assemblées d'une .ma- nière amovible par des brides boulonnées 92. La conduite de sortie de gaz à comporte de préférence à son extrémité supérieure une partie deeutrée étranglée 93e de manière que le diamètre extérieur de son extrémité supérieure soit assez petit pour être disposé à l'intérieur de toute couehe d'écume ou de bul- les qui pourrait se présenter autour de la surface intérieure du tourbillon liquide.
Le congé 67a$ autour de la base de la conduite 62,a, est de plus petit rayon de préférence que la partie correspondante de la figure 7; en réalité, on peut supprimer se congé si on le désire.A d'autres points de vue,la cons- truction des différentes parties des figures 10 et II peut être analogue en principe à celle de la pièce de fond de la figure 7; les parties qui corres- pondent dans les figures 10 et II aux parties représentées sur la figure 7 sont désignées par les mêmes nombres de référence auxquels on a ajouté la let-
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tre "". Les dimensions des parties des figures 10 et ici sont représentées éga-
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1ment à l'échelle, en supposant que le diamètre intérieur de la chambre cy-
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lindrique lOb est égal à 25 cm.
Les figures 12 à 15 inclusivement concernent des variantes de I' invention dans lesquelles le dispositif est construit et disposé de manière à décharger sous pression la pâte traitée aussi bien que la pâte rejetée et contenant des impuretés; ainsi, il suffit d'évacuer le gaz à l'aide d'un moyen de succion, en évitant par conséquent l'obligation de retirer de la matière traitée et évacuée une quantité appréciable d'écume, de bulle ou de gaz.
Ces modes de réalisation de l'invention permettent d'autre part d'évacuer le gaz du noyau tourbillonnaire de préférence aux deux extrémités de manière à être sur que les portions de liquide entourant immédiatement le noyau tourbillon- naire soient soumises rapidement à une pression sous-atmosphérique et que les gaz dissous et les occlusions gazeuses soient libérés entièrement de ces portions de liquide.
Dans l'exemple de la figure 12 la construction réalise un tourbillon susceptible de renverser son mouvement comme on l'a déjà expli- qué, mais dans la figure 14 au contraire,. 9 il se forme un tourbillon qui part à une extrémité de la chambre de séparation et progresse vers l'autre ectrémi.- té de celle-ci, où la pâte traitée et acceptée et la pâte rejetée contenant des impuretés sont refoulées toutes les deux sous pression.
Si l'on se réfère maintenant d'une manière plus détaillée à la figure 12, on voit que le dispositif conforme à l'invention et représenté sur cette figure comprend une chambre 100 allongée, à section circulaire, et de préférence légèrement conique,bien que ceci ne soit pas nécessaire, avec son extrémité la plus petite tournée vers le bas. Comme en le voit, cette chambre a de préférence une longueur égale à plusieurs fois son diamè- tre; cependant, quand elle est conique, sa longueur peut être légèrement plus faible que dans le cas des chambres cylindriques prévues pour l'application
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des modes de réalisatisn mentionnés plus haut.
Sur le dessin, les différentes parties du dispositif sont représentées approximativement avec leurs dimen- sions relatives préférées,
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A l'extrémité supérieure de la chambre ion, une conduite d'entrée 1CBL est prévue, cette conduite est reliée par une bride de connexion à une tête d'entrée 102, qui est elle même connectée d'une manière amovible à la chambre 100 à l'aide d'un moyen approprié quelconque comprenant, si on le dé- sire, des brides d'assemblage 103, (Les différentes paires de brides d'assem- blage représentées sur le dessin peuvent être boulonnées d'une manière amo- vible, mais les boulons neont pas été représentés pour plus de simplicité).
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La tête 102, comme on le voit plus clairement en trait pointillé sur la figu- re 13, a la forme voulue pour injecter la pâte à traiter dans une direction générale tangentielle à l'intérieur de la chambre, de manière à réaliser un
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écoulement hélicoïdal du mélange liquide (comme le montre l'hélice 10) vers le bas et le long des parois intérieures-de la chambre jusqu'à la région v0;1:- sine de l'extrémité inférieure de celle-ci, le courant hélicoïdal eu t8urbi1.- lonnalre se renversant ensuite et formant un tourbillon intérieur (indiqué par l'hélice 105) qui se déplace vers le haut; ce tourbillon entoure un noyau (entrai 106 qui est soumis à un vide appréciable et qui est libre ou sensible- ment libre uniformément de liquide.
L'extrémité inférieure de la chambre com- porte une conduite axiale 107 d'évacuation du gaz ; cetteconduite est connec- tée à une pompe à vide pour évacuer constamment les gaz et vapeurs de la ré- gion du noyau et pour soumettre ainsi la couche tubulaire du liquide formant le tourbillon intérieur 105 à une pression sous-atmosphérique sur toute sa longueur. D'autre part, comme le montre la figure, le noyau 106 se prolonge jusqu'au sommet du dispositif, où on peut prévoir une autre sortie de gaz 108 que l'on connecte à la pompe à vide.
Toutes les impuretés ou particules solides plus lourdes que le liquide sont chassées vers l'extérieur dans l'écoulement hélicoïdal, c'est-à-
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dire vers les parois intérieures de la chambre, et, comme os le voit en :lu9., vers les parties inférieures de la chambre; ces particules s'accumulent le long de ses parois et descendent le long de celles-ci et des parois Intérieu-
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res de la pièce de fond 110; elles sont ensuite déchargées de préférence avec une petite quantité de liquide à travers une sortie tangentielle 111
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connectée à une conduite de décharge 112; cette conduite comporte une valve de réglage 113 pour régler le débit de la pâte rejetée avec les particules Indésirables.
Comme on le voit sur le dessin, l'Intérieur de la pièce de fond 110 est de préférence progressivement étranglée en allant vers sa partie infé- rieure;de cette manière,le liquide se trouvant dans les portions Intérieu- res extrêmes du tourbillon progressant vers le bas s'accumule progressivement vers la conduite 107 de décharge de gaz et renverse ainsi sa direction d'écou- lement pour former le tourbillon Intérieur dirigé vers le haut. Plus loin, vers le bas, près de la sortie tangentielle, la pièce de fond 110 s'élargit au contraire sensiblement Intérieurement pour des raisons que l'on expliquera un peu plus loin.
La pâte traitée est Incorporée en grande partie dans le tcurbllloa.
Intérieur s9écoulant vers le haut et monte à travers un canal centr 115 pré- vu dans la tête 102; la paroi entourant ce canal à l'extrémité supérieure de celui-ci est assemblée par une bride 116 sur une chambre supérieure 117. Ainsi, comme on l'a indiqué, le tourbillon intérieur progressant vers le haut peut monter jusque dans la chambre supérieure 117,qui, comme le montre le dessin, possède la forme voulue pour permettre à ce tourbillon de se dilater rapidement dans le sens de son diamètre;le tourbillon intérieur pénètre alors dans une cavité 120 en forme de disque, dont le diamètre est égal de préférence à un certain nombre de fois celui des parties Inférieures du tourbillon dirigé vers le haut, et cela dans un but qui sera expliqué un peu plus loin.
La pâte trai- tée est finalement déchargée tangentiellement de la cavité 120 à travers un canal 121, dont le diamètre va de préférence en augmentant et qui est connecté à une conduite 122 chargée d'évacuer la pâte traitée.
Lorsque le tourbillon extérieur progresse vers le bas dans la cham- bre 1009 si cette chambre présente une légère conicité comme on le voit sur le dessin, la vitesse circonférentielle du tourbillon augmente progressivement, -et on est sur ainsi que les particules indésirables plus lourdes sont projetées vers l'extérieur avec une force de plus en plus grande, tandis que les bulles, qui se trouvaient primitivement dans le liquide ou qui sont formées par des gaz libérés précédemment en solution ou en occlusion, sont chassées avec force jusque dans le tourbillon intérieur, Quelques-unes des portions Intérieures du tourbillon, qui ont été débarrassées des impuretés et des bulles, se rassem- blent dans le tourbillon intérieur progressant vers le haut ;
lorsque le tour- billon extérieur progresse vers le bas dans la pièce de fond 110 encore plus étroite, les portions intérieures restantes de ce tourbillon renversent leur mouvement et se déplacent vers le haut sous la forme d'un tourbillon Intérieur, tandis que seules les portions extérieures du tourbillon progressant vers le bas continuent leur mouvement et tourbillonnent autour de la portion de cham- bre 123 en forme de disque, dont le diamètre est plus grand et qui est prévue dans la pièce de fond.
L'effet produit dans cette chambre tend ainsi à recon- vertir une partie Importante de l'énergie cinétique de la pâte contenant les Impuretés en énergie de pression autour de la périphérie de la chambre 123, de sorte que la pâte rejetée sort à travers l'orifice tangentiel 111 avec uns pression positive suffisante pour qu'on n'ait pas besoin d'utiliser un moyen de pompage en vue de diriger cette pâte jusqu'à l'équipement de traitement se- condaire ou jusqu'au point de décharge désiré.
Lorsque la pâte traitée et contenue dans le tourbillon à grande vitesse dirigé vers le haut pénètre dans les parties élargies de la pièce su- périeure 117, au sommet du dispositif, son énergie cinétique est rapidement reconvertie en énergie de pression; lorsque cette pâte tourbillonne autour de la périphérie de la chambre 120 en forme de disque, sa vitesse diminue et sa pression augmente jusqu'à une valeur comparable (à l'exception des pertes par frottement) à celle de la pression de la pâte dans la conduite d'entrée 101;
ainsi, lorsque la pâte traitée sort par l'orifice tangentiel 121, la section de son écoulement augmentant encore davantage dans cet orifice, la pâte sensible débarrasée de ses gaz se trouve alors à une pression telle qu' on peut facilement la diriger jusqu'au point d'utilisation désiré sans avoir recours généralement à aucun pompage; en ménageant dans la pièce supérieure
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117 une chambre possédant la forme représentée, on assure le maintien du noyau central de gaz jusqu'à la conduite 108 de décharge des gaz.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 14 et 15, on maintient un tourbillon qui part d'une extrémité de la chambre de sépara- tion et qui sort par l'autre extrémité sans renverser le sens de sa direction de marche; avec ce genre de tourbillon, le mélange ou suspension est soumis simultanément à l'élimination des Impuretés ou des particules plus lourdes et à la libération et séparation des gaz comprenant les gaz dissous et les gaz en occlusion.
SI la chambre de séparation est réalisée avec une longueur rela- tivement Importante, l'élimination des gaz et celle des impuretés peuvent ef- fectuées efficacement et simultanément avec ce genre de tourbillon unidirec- tionmel; cependant,quand on désire utiliser les gaz pour maintenir en disper- sion une partie des particules (telles que les fibres de la pâte) tout en re- tirant les autres particules pendant l'élimination des impuretés, on doit pré- férer le tourbillon du type à renversement du mouvement.
SI l'on considère maintenant plus en détail les figures 14 et 15, on volt que le liquide ou pâte à traiter arrive par une conduite d'admission 130 jusque dans un passage d'admission étranglé 131 qui projette le mélange tangentiellement à la périphérie d'une chambre 132 en forme de disque.
Comme dans le cas de la connexion d'entrée de la figure 1, l'entrée étranglée 131 provoque ici la conversion d'une partie importante de l'énergie de pression en énergie cinétique, et lorsque le mélange à grande vitesse pénètre dans la chambre 132 en forme de disque, il tourne (avec une vitesse angulaire uniforme) sous la forma d'un tourbillon libre, dans lequel l'énergie de pression est convertie une fois de plus en énergie cinétique lorsque le liquide ou mélange pénètre dans l'extrémité supérieure d'une chambre de séparation allongée 133 dont la section est circulaire (cette chambre peut être cylindrique comme sur la figure 14 ou légèrement conique comme dans le cas de la figure 12).
Le liquide descend alors le long des parois de la chambre 133 suivant une tra- jectoire hélicordale avec une vitesse assez élevée pour laisser au centre un noyau de gaz 135. Les impuretés ou les autres particules relativement lourdes à séparer sont projetées sur les parois de la chambre et descendent jusqu'au fond de celle-ci, ou elles sont enlevées par une raclette annulaire légèrement saillante 136;puis, elles sortent avec une petite quantité de liquide à tra- vers une ouverture, ou fente annulaire 136apour pénétrer dans une chambre en forme de disque 137.
Dans cette chambre, pendant que le liquide tourbillonne et progresse vers la périphérie, son énergie cinétique est convertie de nou- veau en énergie de pression, et finalement les impuretés, avec la petite quan- tité de liquide qui les entraîne, sont déchargées tangentiellement à travers la sortie évasée 138, puis à travers une conduite de décharge 139 qui peut être munie d'une valve de commande.
En même temps, la pâte débarrassée des im- puretés, qui est passée près de la palette de raclage 136, continue à descendre et tourbillonne dans une chambre 140 en forme de disque autour de la périphé- rie de cette chambre; une pression suffisante est établie par la reconversion de l'énergie cinétique de cette pâte en énergie de pression pour que la pâte traitée soit déchargée tangentiellement à travers une sortie évasée 141 et une conduite 142 à une pression positive comparable à la pression dans la conduite d'entrée 130.
L'une des extrémités du noyau 135, ou les deux extrémités de ce noyau sont connectées à des conduites de sortie de gaz 144, 147 aboutissant à une ou deux pompes à vide, qui maintiennent constamment le noyau 135 à une pression sous-atmosphérique, comme dans le cas de la figure 1.
Les extrémi- tés, telles que 146 et 148, de ces sorties de gaz font saillie de préférence respectivement dans les deux extrémités du noyau; les surfaces d'extrémité en 146 et 148 sont de préférence relativement épaisses de manière que les orifi- ces de sortie de gaz soient suffisamment petits pour ne permettre que l'échap- pement du gaz seulement vers les pompes à vide ; d'autre part, les orifices de sortie du gaz doivent être entourés par une surface annulaire d'une largeur suffisante pour empêcher le passage du gaz à l'extérieur de ces surfaces d'ex- trémité.
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Le dispositif représenté sur les figures 16 à 18 est construit de manière à faire passer un tourbillon de la pâte à traiter directement à travers une chambre de séparation, et de là directement dans une pompe aspi- rante ou branche barométrique sans renverser le sens de progression du tour- billon. Un noyau de gaz est maintenu dans le tourbillon à une pression sous- atmosphérique en évacuant constamment le gaz de la portion médiane de l'extré- mité d'entrée de la chambre de séparation; vers l'autre extrémité de cette chambre le canal du tourbillon a une forme telle que le noyau de gaz diminue de diamètre et disparaît, ou bien avant que le courant traité ne passe dans la pompe aspirante, ou bien avant qu'il ne passe à une distance considérable quelconque, dans une branche barométrique, si celle-ci est utilisée à la place d'une pompe.
Ici également, les parois de la chambre de séparation sont de préférence étranglées et formées, dans les régions éloignées de l'extrémité d'entrée, de manière que le liquide entourant immédiatement le noyau ait ten- dance à revenir vers la connexion d'échappement des gaz, et qu'ainsi les bul- les ou gaz qui ont été refoulés jusque dans les portions intérieures extrêmes du tourbillon ne puissent pas passer avec la pâte traitée, tandis que le Ii- quide se trouvant dans les portions extérieures du tourbillon est libre de passer dans la branche barométrique ou dans la pompe aspirante équivalente; en même temps,, une petite quantité de liquide ou suspension contenant les particules solides indésirables, qui ont été chassées dans la partie extérieu- re extrême du tourbillon,est écumée et déchargée.
Sur la figure 17, le noyau
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du tourbillon, dans une région éloignée de l'entrée de la pâte, disapralt en raison des effets combinés de la forme étranglée des parois de la chambre et d'un obstacle disposé dans la partie médiane du courant de pâte traitée.
Si l'on considère plus en détail la figure 16, on voit que la suspension du liquide à traiter est refoulée sous pression à partir d'une conduite d'entrée 50 à travers une tête 51, dont la portion d'entrée 52 a une forme appropriée pour diminuer considérablement la section du courant d'entrée; à partir de cette partie 52 en forme de trompette, le courant est dirigé tan-
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gentîellement jusque dans une chambre 53 pour former une couche tourbillonnaire 154 du mélange autour des parois inférieures de la tête 153, et ensuite autour et sur les parois intérieures de la tête 153 puis autour des parois intérieu- res d'une chambre 155 dont la section est de préférence cylindrique, la direc- tion de l'écoulement du liquide dans le tourbillon étant indiquée par l'hélice 156.
Dans la portion de chambre 153 de la tête, on a prévu une sortie axiale 158 de décharge des gaz pour établir la connexion avec une pompè à vide.
Comme le montre le dessin, l'extrémité inférieure de la chambre
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155 est connectée à une autre portion de chambre l60p dont les parois ont la forme entonnoir,Ies portions supérieures de cet entonnoir s'évasent de plus en plus vers l'extérieur; grâce à cette disposition, le diamètre extérieur de
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la couche tourbillonnaire en 154a devient de plus en plus petit et le diamètre du noyau diminue d'une manière correspondante en 157a;
le noyau cesse d'exis- ter en un point i5'ib' de sorte qu'au delà de ce point le courant de liquide ne comporte plus de noyau de gazo Pour réaliser effectivement cette disposi- tion, l'étranglement intérieur de la portion de chambre 160 doit être tel de préférence que les composantes de la force centrifuge et de la pesanteur agis- sant effectivement sur le liquide dans les portions intérieures extrêmes de la
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couche tourbillonnaire 154a puissent conférer à ces portions intérieures une tendance à monter, tandis que le liquide se trouvant dans les portions extérieu- res de la couche tourbillonnaire peut passer librement vers le bas.
Ainsi, en supposant qu'une section verticale en un point 1? fasse un angle Ó avec l'horizontale, une particule se trouvant en ce point est soumise à une force
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dirigée vers le haut le long de la paroi et égale à V2 cos C ; cette r force appliquée à la particule est équilibrée par une autre force dirigée vers
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le bas le long de la paroi et égale à g sin tK; dans ces deux expressions, V désigne la vitesse du courant introduit tangentiellement, r ie rayon au polit 1? par rapport â l'axe du dispositif et ± l'accélération de la pesanteur.
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Comme on l'a expliqué ci-dessus d'une manière plus complète, on peut, en prenant en considération ces forces opposées, donner à la section verticale d'une chambre en forme d'entonnoir la forme voulue pour obtenir le résultat mentionné ci-dessus, c'est-à-dire pour faire monter le liquide des portions Intérieures de la couche tourbillonnaire et pour faire descendre le liquide des portions extérieures de cette couche. Dans le cas où la sortie 166 est constituée par une branche barométrique, celle-ci doit avoir une hau- teur appropriée pour maintenir le niveau liquide dans ou au-dessus de la
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section étranglée 160; d'autre part., si la décharge se fait vers une pompe aspirante, cette pompe doit être capable de produire un effet équivalent.
Par conséquente tous les gaz, vapeurs et bulles, libérés de la couche tour-
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bîllonnaîre â travers toutes les portions de chambre sont rapidement chassés en dehors du noyau, ou s'il en reste une partie dans les portions intérieures extrêmes du tourbillon, à l'intérieur de la portion de chambre 160, ces gaz vapeurs ou bulles restants n'ont aucune possibilité de passer dans le courant de pâte traitée, du fait que les parties Intérieures extrêmes du tourbillon se déplacent vers le haut.
Comme on le voit sur le dessin, la portion de chambre 160 est
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connectée â une portion de chambre suivante 161 dont la plus grande partie peut être cylindrique. Dans la portion I6z9 les particules solides contenues dans le tourbillon ont été projetées sur les parois, le long desquelles elles se déplacent vers le bas, pour s'échapper ensuite à l'extérieur d'une lèvre
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annulaire 162, c'est-à-dire dans une petite cavité annulaire 163; une petite quantité de la pâte, en même temps que les particules,est déchargée tangen- tiellement à partir de cette cavité à travers une sortie 164 munie d'une valve
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appropriée de réglage 165; ici, la construction est analogue â celle représen- tée dans la coupe horizontale de la figure 18.
Soit une branche barométrique, dont la partie supérieure est Indiquée en 166, soit une pompe d'aspiration ap- propriée, reçoit alors le courant tourbillonnant de pâte traitée en 167, ce courant étant libre de bulles et de gaz et débarrassé des particules solides indésirables.
Le dispositif de la figure 17, à l'exception des caractéristiques mentionnées ci-dessous, est analogue à celui de la figure 16, et les parties correspondantes sont désignées par les mêmes nombres de référence accompagnés du signe "prime". Sur la figure 17, les parois de la portion de chambre 160', au lieu d'être formées avec la courbure particulière expliquée ci-dessus à propos de la figure 16, ont une forme légèrement conique, avec des génératri- ces rectilignes.
La portion de chambre ayant cette forme conique est incapable de faire disparaître complètement en 170 un noyau tourbillonnaire de gaz; au contraire,ce noyau indiqué en 171 a tendanceà se prolonger à l'intérieur du tourbillon; en conséquence, on a monté ici un obstacle central fuselé 172 qui s'étend de préférence jusqu'à l'extrémité inférieure de la portion de chambre
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16L'5 et jusqu'à une certaine distance dans l'extrémité supérieure de la sortie I66'o Cet organe d'obstruction 172 peut être supporté par de petites tiges 173 en forme de croisillon qui sont fixées dans ou ou sur l'organe 172, avec loirs portions extérieures traversant les parois de la portion de chambre 166 . Grâce à l'organe d'obstruction 172, le noyau tourbillonnaire se termine enfin, comme on le voit à l'extrémité supérieure de cet organe.
Dans le dispositif de la figure 19, le mélange liquide à traiter est admis sous pression tangentiellement par une entrée 180 dans une partie supérieure extrême et cylindrique 181 d'une chambre de séparation; de cette manière,un courant hélicoïdal, se présentant sous la forme d'un tourbillon
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extérieur progressant vers le bas et indiqué en 182, est établi dans une por- tion de chambre conique 183 de grande longueur et légèrement évasée. Ce courant hélicoïdal, comme iI est indiqué, diminue progressivement de diamètre et ses parties renversent progressivement leur mouvement pour former un courant héli- cordal intérieur 184 qui progresse vers le haut et qui entoure un petit noyai
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de gaz 185.
Les particules plus lourdes, telles que les impuretés, sont chas- sées en dehors du tourbillon par la force centrifuge au voisinage de l'extré- mité inférieure de sortie 186 de la portion de chambre conique, et elles des-
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cendent jusqu'à la sortie 187 où elles sont déchargées dans une chambre fermée 188, en même temps qu'une petite quantité de la pâte.
Cette chambre fermée 188, comme on le voit sur le dessin, est mise en communication par une conduite 189 avec une pompe à vide appropriée; elle est conçue et disposée de manière à être normalement partiellement remplie, comme le montre la figure, avec la suspension déchargée contenant les impure- tés.Le fond de la chambre 188 est relié par une conduite 190, soit à une branche barométrique, soit à une pompe d'aspiration appropriée, de manière que la décharge de la pâte en dehors de cette chambre se fasse à peu près avec le même débit que la décharge de la pâte en dehors de la chambre conique dis- posée au-dessus.
On voit ainsi que le petit noyau creux et allongé 185 formé dans le tourbillon peut être maintenu constamment à une pression sous-atmosphérique au moyen de la chambre sous vide 188; cette pression sous-atmosphérique est égale de préférence à peu près à la tension normale de vapeur de la suspension à traiter dans la portion de chambre 183, c'est-à-dire par exemple à une valeur absolue comprise entre 4 et 8 cm de mercure.
Par conséquent, les gaz dissous et les occlusions de gaz dans les tourillons de la portion de chambre conique 183 ont fortement tendance à se li- bérer du liquide le plus voisin du noyau creux en raison de cette pression sous- atmosphérique, et ces gaz libérés, ainsi que la vapeur présente dans le noyai creux et les gaz contenus dans les bulles ou l'écume refoulées jusque dans le noyau creux, sont constamment évacués vers le bas à travers le noyeu creux jusque dans la cavité 188, d'où ils sont aspirés par la pompe à vide.
Pendant ce temps, la pâte, traitée, qui se trouve incorporée dans le tourbillon de retour 184 progressant vers le haut, sort par la sortie cen- trale 191, à l'extrémité supérieure, et peut être évacuée à travers cette ser- tie en appliquant au raccord de sortie 192 un dispositif quelconque d'évacua- tion approprié, tel qu'une branche barométrique ou une pompe aspirante.
;En raison du vide maintenu dans le noyau de la figure 19, et de l'extraction constante et rapide des gaz en dehors de ce noyau et dans la ca- vité fermée 188, on est sur que la plus grande partie des gaz en suspension sont évacués par la connexion 189 jusqu'à une pompe à vide; cependant, quel- ques bulles peuvent être transportées par la pâte traitée à travers la connexion 192, et si on désire éliminer ces bulles,dans le cas où leur quantité est suf- fisante pour être indésirable, on peut les séparer en faisant passer la pâte à travers une chambre supplémentaire de séparation de l'écume, de la manière décrite ci-dessus.
REVENDICATIONS.
1 ) Procédé pour séparer des gaz d'un liquide, caractérisé par fait qu'on dirige un courant continu du liquide tangentiellement dans une cham- bre soumise à une pression telle que la proportion d'énergie de pression du courant convertie en énergie cinétique engendre dans la chambre un tourbillon allongé à grande vitesse comportant un noyau intérieur de gaz, qu'on évacue le gaz de ce noyau de manière à maintenir celui-ci à une pression réduite par rapport aux portions intérieures du tourbillon, et enfin qu'on retire d'une manière continue du tourbillon un courant de liquide traité,
2 ) Procédé selon :
Le caractérisé par le fait qu'on dirige un cou- rant continu du liquide dans une chambre de section circulaire, de manière que le liquide traverse cette chambre sous la forme d'un tourbillon allongé comportant un noyau creux, qu'on évacue le gaz de ce noyau avec un débit cal- culé de manière à maintenir dans le noyau une pression réduite, et qu'on reti- re d'une façon continue un courant de liquide séparé de ce tourillon.
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H. FREEMAN and J.D. BOADWAY. residing respectively in CAP DE LA MADELEINE and in THREE RIVERS (Canada).
METHOD AND DEVICE FOR TREATING PULP SUSPENSIONS AND OTHER FLUIDS WITH A VIEW TO REMOVING GAS AND UNWANTED PARTICLES.
The present invention relates to methods and devices for extracting gases and steam, and also, if desired, solid particles constituting impurities, contained in liquids and liquid suspensions; among various other possible uses, the invention is particularly suitable for the treatment of pulp suspensions.
Pulp or pulp suspensions, as they smell supplied to papermaking machines, usually include considerable quantities of gas and vapor, which contain air, carbon dioxide and water vapor. ; these gases smell partially dissolved in the liquid, partially adsorbed in the fiber, contained in part in foam bubbles on the surface of the mixture and in other bubbles clinging to the wood fiber particles through the mass of the mixture ; under the action of these gases, the fibers forming into flakes and accumulating excessively near the surface of the mixture. In typical cases, these gases can reach 3% by volume of the Pulp Mix in the headbox of the papermaking machine.
In a typical case, the bubbles contain about 10% of the gas contained in the pulp. It was believed for some time that appreciable advantages could be obtained by removing these bubbles, as well as the dissolved and adsorbed gases, before the mixture was fed into the papermaking machine.
These benefits include the removal of harmful foam in the machine head box, increased drainage rate, decreased drying time required for the paper, improvements in paper formation and quality, the reduction in the number of paper breaks on the machine, the reduction in the necessary percentage of sulphite, and finally a general increase of up to several units per cent in the efficiency of the paper making machines
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pier;
this improvement in yield represents a great saving in the paper industry, together with an improvement in the quality and uniformity of the paper produced. It has heretofore been proposed to extract these gases from pulp by applying a vacuum to Jordan machines used for pulp processing; however, this proposal, so far as is known, has not been realized. not proven, for a variety of reasons, to be effective and convenient for any extensive application.
More recently, a device has been devised for spraying paper pulp against deflection plates in a vacuum tank, so as to extract the gases by the combined effect of vacuum boiling and shock; unfortunately, the equipment needed to apply this means is complicated, cumbersome, and entails very large investments of capital, at the same time as an excessive expense for use and for maintenance. On the other hand, such equipment cannot extract more than approximately 70% of the gases.
The present invention, on the contrary, provides an efficient and relatively inexpensive method and device for extracting gases and vapors from pulp or other liquids or suspensions. By means of this method and device, it is possible at the same time if desired, efficiently removing impurities or other unwanted solid particles from the liquid, thereby performing two useful functions simultaneously with the same relatively simple device.
The process according to the invention and considered in its most general aspect consists in maintaining a vortex movement at high speed, in the liquid or the liquid mixture to be treated, around a gas core which is maintained at a pressure. lower than atmospheric pressure by continually escaping the gas out of this core with a sufficient flow rate to also maintain the internal portions of the vortexing liquid at a pressure below atmospheric pressure - in this way the gases dissolved and the gases adsorbed in these interior portions are released; the bubbles of these liberated gases, as well as all the bubbles which may have existed originally, are driven out to the interior of the nucleus by the action of the centrifugal force of the vortex movement;
at the same time, if the mixture contains any heavier particles which it is desired to separate, those particles are driven into the outer parts of the vortex and can be extracted or discharged into a stream comprising a small portion of the mixture, while the The desired treated liquid is extracted separately at a suitable point after it has been subjected to the action of the vortex.
Another important feature of the preferred embodiment of the invention is to maintain the vortex movement in the reverse direction; in other words, when the vortex liquid has followed a helical path for a considerable distance in a first direction, in the form of an outer vortex, the direction of progression of this vortex is reversed, so that the liquid forms a vortex of inner and smaller return which surrounds the evacuated core and which is thus subjected to sub-atmospheric pressure for a considerable distance, while being surrounded by the outer vortex.
In this embodiment, if the mixture contains any heavier particles which it is desired to separate, these particles can be conveniently removed from the periphery near the point of Reversal of Motion, with the treated liquid being withdrawn at the end of the. interior vortex, on the side opposite the invensin point, and gas being withdrawn from the core at either end thereof.
This embodiment is believed to be particularly effective in separating the gases contained in mixtures of the pulp suspension type, due to a shearing effect or the like to which the outer vortex subjects the suspension from the inner vortex, from which it follows that the bubbles which cling firmly to the fiber or which are enveloped by the latter are driven out; This particular efficiency is also explained by the fact that the tubular and relatively thin layer of the liquid forming the interior vortex is subjected over a great distance to the low sub-atmospheric pressure of the core, as is necessary to effectively release the particles.
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dissolved and adsorbed gases.
Although this is not necessary, it is nevertheless preferable to introduce the paste to be treated tangentially at one end of a swirl chamber, so that the helical current extends along the walls of the chamber to the another end thereof, this current then flowing back and forming the inner return vortex which surrounds the evacuated core and which returns to a concentric outlet for the pulp at the first end of the chamber. If you want to remove impurities or unwanted particles, the small amount of dough that contains them is removed; this quantity of dough is withdrawn at a point close to the wall of the chamber and substantially away from the entrance of the dough.
The embodiment just described is particularly suitable for treating pulp suspensions; it is of course understood, however, that the invention can be equally suitable for treating numerous other liquids, for example for removing gases, vapors and undesirable particles contained in water or for oiling it. processing of various suspensions of ores and processing of many types of liquid chemical mixtures from which it is important to remove liquid and adsorbed gases and bubbles, as well as particles constituting impurities.
Various other more specific aims, characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows and which refers to the appended drawing in which s
Figure 1 is a vertical and somewhat schematic sectional view of one embodiment of the main separator device according to the invention; FIG. 2 is a perspective showing the exterior of such a device in its preferred form, and a preferred arrangement of the apparatus and connections accompanying this device; Fig. 3 is a vertical section to some scale of a preferred embodiment of the head used in the main separator device; Figure 4 is a section taken substantially along Figure 4-4 of Figure 3;
Figure 5 is a section taken substantially along line 5-5 of Figure 4; FIG. 6 is a section drawn to scale and similar to FIG. 5, but showing a variant of the head of the separator; Fig. 7 is a vertical section showing in detail a preferred embodiment of the lower end piece for the main vortex separators according to the invention; FIG. 8 is a view on a large scale and partially cut away of a device forming part of the assembly shown in FIG. 2 and intended to extract from the treated paste the bubbles and the gases which have not been eliminated in the device main separator; FIG. 9 is a diagram showing the mode of action of the device of FIG. 8;
Figure 10 is a vertical section of a variation of the lower portion of the main vortex chamber; Figure II is a section taken substantially along the line II-II of Figure 10; Figures 12 and 14 are vertical cross sections of two other embodiments; Figures 13 and 15 are respectively top views of the devices of Figures 12 and 14;
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Figures 16 and 17 are vertical cross sections of other embodiments; Figure 18 is a section taken substantially along line 18-18 of Figure 17; and FIG. 19 is a vertical section of another embodiment.
If we consider in more detail Figure 1, it will be seen that the separator device according to the invention and shown in this figure in a schematic manner comprises an elongated chamber 10 of circular section preferably having a cylindrical shape, although this is not necessary, at least in the main parts of his body. This chamber should preferably have a length equal to several times its diameter, in. Particularly if the device and method are to be used to remove impurities and other solid particles from liquid along with gases.
In a typical case, for example, where the internal diameter of the chamber was equal to 10 cm, its length was equal to 1 m, between its upper part and its lower part. Note that this separator chamber is shown. in the drawing in a vertical position and that, for convenience, the inlet end is designated by the expression "upper end"; it is understood, however, that the device can in reality be mounted horizontally, or at any angle with respect to the vertical, or even in an inverted position.
The centrifugal forces inside the liquid contained in the device are so great that the effect of gravity on the operating conditions in this chamber is substantially negligible if, as can sometimes be practical in order to save the available head, the chamber is mounted in a horizontal position or at any other angle with respect to the vertical.
At the upper end of the chamber there is an inlet opening 11 so arranged that the paste to be treated gangentially can be injected into the interior of the chamber and thus cause a helical flow of the liquid mixture (such as Indicates helix 12) down and along the inner walls of the chamber to the region adjacent to the lower end of the chamber, the helical or vortex current, in the preferred embodiments shown here. then overturning and forming an internal vortex (as indicated by propeller 13), which moves upwards and surrounds a central core 14, in which a vacuum has been made and which is substantially and uniformly free of all liquid.
In the particular embodiment of FIG. 1, the lower end of the chamber contains a vertical partition or diaphragm 15, the general shape of which is conical; this diaphragm comprises at its top a central gas outlet 16 arranged in the core. 14; a device such as a vacuum pump, communicates with the space 17 under the cone and is connected to this space by a pipe 18 so as to constantly evacuate the gases and the vapor out of the central region or core 14; this vacuum pump thus subjects the tubular layer of liquid which forms the lower vortex 13 to sub-atmospheric pressure over its entire length.
Any Impurities or other solid particles heavier than the liquid have a strong tendency to be driven radially outward in the helical stream, i.e. towards the interior walls of the chamber, and as indicated. at 19, towards the lower portions of the chamber; these particles accumulate along these walls and are drawn down to the periphery of the cone 15, or they can be discharged in any suitable manner, preferably together with a small portion of the liquid which is at this point under pressure, through a small tangential pipe 20.
Most of the treated paste is entrained in the upward flowing interior vortex, and is preferably discharged through an outlet pipe 21 arranged concentrically with respect to the chamber; this line can be connected to a suction pump, as has been suggested.
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dicated in the figure or any equivalent device, for the purpose of removing the paste from the region surrounding the vacuum core.
For example, as will be explained later with reference to FIG. 2, the discharge pipe for the treated pulp may include an appropriate connection allowing the use of the same source of vacuum as that applied to the outlet.
18 gas.
The vortex type separators used most commercially heretofore to separate impurities from pulp suspensions were such that no central region or gas-containing core formed in their vortex streams or such a region was very. such a central region, if present, was too small and irregular to allow the gas to escape and to maintain a pressure below atmospheric pressure therein. To achieve the formation of a central region or nucleus free of any liquid, symmetrical and having appreciable dimensions, as seen in figure 1, it is important to Inject the liquid with an appreciable speed, equal for example in typical cases at 15 m per second or more.
For this purpose, the inlet connection must be constricted, in the vicinity of the region where it enters the upper part of the chamber 10, by comparison with the cross section of the stream upstream of this region. This constriction has the effect of converting an appreciable portion of the pressure energy of the current into kinetic energy; sufficient velocity is thus imparted to the vortex liquid of the chamber to enable the existence of a central region or core under vacuum to be maintained; at the same time, the sedimentation efficiency is considerably increased in eddies, since this efficiency varies as the square of the velocity and inversely as the flow rate.
One might think that it is desirable to properly restrict the inlet opening to convert substantially all of the pressure energy into velocity energy, in order to significantly improve the separation efficiency; As a matter of fact, this solution has been proposed so far with regard to impurity separators, of the swirl type intended for pulp suspensions. However, this process is illusory because, so nearly all the pressure energy was When converted to velocity energy, there would not be sufficient depth of liquid in the vortex on the chamber wall to substantially allow proper separation and removal of impurities.
To achieve the objects of the present invention, the constriction of the inlet opening should preferably be gradual to ensure a steady flow of liquid and should be just sufficient to form the region in the chamber. power station free of liquid and subjected to vacuum; this constriction should be large enough that the gas can be evacuated separately, but should not be large enough to prevent upwardly advancing inner vortex liquid from being discharged through an outlet opening such that 21 having suitable dimensions allowing it to be arranged inside the outer vortex.
For example, if the chamber 10 has a diameter of 10 cm and if a stream with a diameter of 7.5 cm is fed into the separator, the central gas core may advantageously have a diameter of about 3.75 cm; this was achieved by making the narrower section of the inlet opening approximately equal to 5 cm x 1.9 cm, so that the ratio of the pressure head to the input and the resulting head speed equaled roughly 1.12.
The internal diameter of the internal end of the outlet opening 21 can then advantageously be equal to approximately 5.62 cm, i.e. the corresponding section can be equal to twice the cross section of the central vacuum region, and the gas outlet opening 16 may advantageously have a diameter of 1.87 cm.
In another example, the interior diameter of chamber 10 was 25 cm and the interior diameter of the pipe leading to the device was 20 cm; at the most constricted point of the head, the dimensions were approximately equal to 14 cm x 3.4 cm, so that about 505 of the pressure energy at the inlet was converted to kinetic energy. It is believed that the generally practiced and achievable limits for these percentages may vary.
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rier from 40 to 60% approximately with a separator comprising outlet openings arranged as in figure 1.
It should be noted that, at least within very wide limits, the pressure with which the pulp enters the inlet opening has only a very small effect on the dimensions of the central core. tral subjected to a vacuum, Thus, for the examples mentioned above, while the pulp suspension arriving with a pressure of about 1.75 kg / cm2, we could however vary this pressure considerably from this value if it was wanted. As can be demonstrated mathematically, there are compensating factors which allow the central core to maintain proper dimensions when the inlet pressure of the liquid increases or decreases within sufficiently wide limits.
In other words, if the supply pressure is higher and tends to settle in the central evacuated core, the velocity of the liquid increases correspondingly and tends to increase the dimensions of the core; conversely, if the pressure decreases and tends to increase the dimensions of the core, the speed decreases in a corresponding way and tends to reduce the dimensions of the core. However, to obtain the best results, care must be taken to determine the progressive shape of the entry constriction and the extent of this constriction.
Figures 3 to 5, which are drawn to scale, show cavities whose shapes allow the energy conversion to be correctly carried out with the ratio of 1.12 of the first example cited above, with a connection of the pipe d 7.5 cm inlet and a 10 cm separation chamber. FIG. 6, also drawn to scale, corresponds to FIG. 5, but represents cavities capable by their shape of carrying out a conversion of approximately 50% of the input energy into kinetic energy, for a chamber of a diameter of 25 cm and a supply pipe with a diameter of 20 cm.
As can be seen in Figures 3 to 5, the head or inlet piece 11a may consist of a molded piece which is screwed at 25 onto the upper end of the chamber 10a, itself constituted by a certain length of tube. of the desired diameter, As can be seen, the molded part 11a can be integral with the outlet part 2: The paste and the upper end of this part 21a can include a connecting flange 26 which allows the connection with a tubing leading to a vacuum pump or to another device which will be described below.
The inlet connection may also include a flange 27 allowing connection to an intake manifold. Apart from its dimensions and the slightly different shape of its intake cavity, the head of FIG. 6 may be similar. to that of Figures 3 to 5, although, as shown in Figure 6, a flange 28 is provided and adapted for connection to the separation chamber.
As shown in Figures 1, 3 and 4, the outlet fitting (21 or 21a) preferably has a shape such that its diameter increases slightly and gradually in the direction of the liquid flow. In this region the initial kinetic energy of the vortices has decreased slightly due to friction, and part of the kinetic energy is converted back to pressure energy by slightly increasing the cross section of the output current. For these reasons, the diameter of the central core under vacuum tends to decrease rapidly, as seen at 30 (Figure 1) in the outlet stream, although some gas is usually vented along with the processed pulp in the outlet stream ;
in the latter case, this gas can be separated from the liquid in the manner which will be explained a little later. If the Lower gas outlet is closed, all gas can be evacuated through the outlet opening 21.
In the arrangement shown in FIG. 2, the separation chamber designated by 10a comprises a head 11a to which an inlet pipe 31 is connected to bring the paste to be treated into the device from any pumping means. appropriate (not shown).
The outlet 21a of the dough is connected to a pipe 32, itself connected to a separation chamber 33 so as to direct tangentially
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in this chamber the paste evacuated, as well as the gases and vapors which may have been evacuated at the same time as this one. The upper end of this chamber is connected to a vacuum pump 37 by means of pipes 34, 35 and
36, The lower end of the chamber 33, in the example shown, communicates with the upper end of a pipe 38 waiting downwards over a vertical distance greater than 9m, 60;
this pipe 38 thus constitutes what is called "a barometric branch%, the lower end of which ends in a box 40 intended to receive the suspension of treated pulp and which can be formed, if desired, by the box of head of a paper machine o
The discharged paste is discharged through a pipe 32 into the chamber
33 and maintains this chamber partially filled with a vortex current, as will be explained below in more detail; the gases and vapors existing in the upper part of the chamber 33 are evacuated by the vacuum pump 37 and thus rapidly separated from the treated pulp.
The pulp slurry as it is introduced into chamber 10a in a typical case can be at a temperature of about 38 ° C .; however.? in other cases. Industrial practice leads to a lower temperature or to a temperature of up to 54 C. The vacuum pump 37 should preferably be sufficiently large and efficient to reduce the pressure existing inside the vacuum core of the chamber 10a to a minimum. value roughly equal to or less than the vapor pressure of the liquid at the treatment temperature of the latter (pressure in absolute value between 4 and 8 cms of mercury in certain typical cases).
Whether or not there is an appreciable quantity of gas discharged at the same time as the treated liquid discharged into chamber 33, there is at least some steam in the upper part of this chamber, but this steam is constantly evacuated through line 35, and the barometric branch 38 naturally allows the vacuum to be continuously maintained in the upper part of the chamber 33o. However, to pocket the steam, and possibly the foam, reach the vacuum pump and To prevent efficient operation thereof, the steam is preferably condensed by introducing cold sprayed water into the pipe 35 through a fitting 41.
The condensed vapor and the introduced water flow downwards through the conduits 36 and 42 into another barometric branch 43, the lower end of which terminates in a callus 44.
The lower end of the main separation chamber 10a is provided with a connector 45 which can be constructed either substantially like the connector shown at the base of Figure 1, or preferably in accordance with the variant described below. In all cases, the gas outlet fitting 18a is connected to a pipe 42 above the effective upper end of the barometric branch 43.
Thus, the gases and vapors discharged from the lower end of the chamber 10a are directed upwards into the pipe 35 together with the gases and vapors coming from the upper part of the chamber 33.11 appears as the connection. vacuum source marl at the upper and lower outlets of chamber 10a constitutes a convenient means of achieving stable conditions in this chamber, without the need to adjust the suction at one end for the prevent obstructing a uniform discharge of fluid at the other end.
Any fraction of vapor which tends to condense in the gas outlet pipe 18a is discharged into the barometric branch 43.
Impurities and other unwanted solid particles are discharged from port 45 of the base of chamber 10a through conduit 20a; this pipe has suitable dimensions to be able to discharge, preferably tangentially, a sufficient quantity of liquid at the same time as the particles, so that this pipe cannot become blocked. This pipe 20a may include a sight glass 52 and a tap 53, and may also discharge through a barometric branch 54. However, the presence of a barometric branch at this location is not
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not essential, since the liquid usually comes out with a pressure of 0.35 kg / cm2.
The flow rate of the discharged materials can of course be regulated by acting on the tap 53. The materials discharged through the pipe 20a can be treated again, in order to recover a certain quantity of useful material therefrom, by passing them through secondary separators of the system. vortex type 11 is of course understood that the barometric branches mentioned above and intended to maintain the desired vacuum wave in the system constitute a convenient and inexpensive means of achieving the desired goal, but that they can nevertheless be achieved. replacing, if preferred, by elements in the form of blower pumps or the like.
On the other hand, as was indicated above with regard to the upper part of the figure, the discharge outlet 21 can be given a diameter increasing towards the outside in reality, this flaring can be achieved. outlet 21 so that it can discharge at atmospheric pressure; in this case, the vacuum pump used can be implemented as a water suction pump acting both as a vacuum pump and as a vacuum pump. as a washing branch.
For removing suspensions such as pulp, solid particle impurities as well as gases, it has been found that a lower part for chamber 10a and shown in Fig. 7 is preferable and more efficient. This part comprises a portion 60 in the form of a bowl mounted in a removable manner at its upper end on the lower end of the chamber 10a by means of flanges 61. Inside this part 60 is provided a coaxial pipe. Gas outlet 62, which is preferably cast integrally with part 60; the lower end of the tube 62 is connected by a fillet 63, preferably of rounded section, with the base 64.
A coupling fitting 65 is provided on the underside of the base 64 for attachment to a conduit terminating at the vacuum pump. A small discharge outlet 66 is provided for the rejected particles, preferably through the wall of the cup-shaped part 60 and at the base of this part; this outlet opening 66 is preferably disposed tangentially, as shown by the dotted lines 67, and it is directed in a direction such that it receives without shock the vortex of rejected dough without imparting any irregular deviation to it
As can be seen, the gas outlet tube 62 extends upward a little beyond the upper edge of the bowl 60;
this tube should have a diameter slightly smaller than that of the central vacuum core of the chamber 10a. Figure 7 shows the preferred relative dimensions of the construction! this figure is drawn to the same scale as figures 3 to 5. To achieve the greatest efficiency in separating the particles of impurities, the inner wall of the cuvette 60 must be designed so as to gradually point towards inside, in the direction of the tubular part 62, without shock and without irregular turbulence, the liquid vortex progressing downwards;
thus, increasingly large interior portions of this vortex, portions which are then substantially free of particles of impurities, reverse their direction of progress and advance upward in a helical movement.
During this time, the extreme outer portions of the downward vortex continue to progress downward along the walls and carry with them the impurity particles to base 64, and then to the outside. at 67, the final portions of this vortex which have not been rejected to the outside also reversing their movement to flow upwards under the action of the curved fillet 63 provided at the base of the tube 62.
If it is assumed that the chamber 10a has an internal diameter of 10 cm and that the internal depth of the bowl 60 is equal to 17.5 cm, the inside wall of this bowl-shaped part 60 can start, at the top, to converge towards the interior with an angle of 5 over a distance of about 2.5 cm downwards, then can converge with an angle of 4 over a length still equal to 2.5 cm, and finally converges respectively according to
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angles of 3 and 2 downwards over two other lengths each equal to 2.5 cm.
Over the remaining length equal to 7.5 cm, at the lower part of the part 50, the walls preferably converge at an angle of approximately 1
In the case where the member shown in figure 7 is used with a head similar to that of figure 4, the gas outlet pipe may have an inner diameter of about 1.87 cm and a height of about 21 , 25 cm the outlet 66 of the Impurities having an inner diameter of about 0.93 cm.
With this preferred construction it is not necessary to discharge through outlet 66 more than 2% of the pulp to be treated in order to be able to achieve a high efficiency in the removal of impurities. A small fraction of 1%, at least. instead of 2% is sufficient to remove substantially most of the impurities, At the same time more gas can be extracted from the suspensions than was possible with the complicated and expensive equipment mentioned above, which involved boiling, shock and vacuum treatment. The separated impurities include not only sand, but also bark particles and a large percentage of fragments or small chips.
The device also has the advantage that, if it is desired to use it only for the removal of impurities, the vacuum pump can be stopped or disconnected; the device still operates in an efficient manner to remove impurities and shavings while allowing the gas contained in the pulp mixture to remain therein, as desired when making certain grades of paper. The effects obtained on the treated paste, depending on whether the vacuum connection is removed or applied to: The equipment, are remarkably striking.
The dough treated using the vacuum connection appears uniform from its upper part to its lower part, if placed in a glass jar and observed even after a considerable time; on the contrary, if the vacuum connection is not used, the pulp in the resulting paste tends to flake to a considerable depth near the top of the mixture body., and the mixture is covered with a layer foam, which is absolutely inexistent on the dough from which the gases have been eliminated.
It should also be noted that if it is desired to use the device of FIG. 2 to remove from the liquid mixture a fraction of less than 70% of the gases, the shape of this chamber 33 is not of great importance, since 'it allows the treated liquid exiting chamber 10a to vortex and then descend through the barometric branch, while any gases and vapors are discharged through line 34; however, if not evacuated a percentage of gas greater than 70%, a few bubbles tend to remain in the liquid discharged from chamber 10a, and these remaining bubbles may appear in the box and give rise to a slight foam; after prolonged operation, this scum can cause the tar to collect, the particles of which cluster on the bubbles.
On the other hand, if these remaining bubbles are sufficient for the scum to be evacuated through line 34, this scum may interfere with maintaining a suitable vacuum in the system, or it may cause such a vacuum to be maintained. of fibers that it becomes necessary to use a new means of recovery for reasons of economy. However, it has been found that it is possible to avoid all these difficulties by giving the chamber 33 of FIG. 2 the shape shown more clearly in FIG. 8.
As can be seen in this figure, this chamber is preferably formed of two parts, the upper part 70, which is cylindrical, and the lower part 71 which has as a whole the approximate shape of a vertical funnel, with its upper part widening more and more outwards; in other words, this part 71 has the general shape of an inverted and elongated cone, but with its side walls curved inwards as compared to a real cone.
The theoretically ideal shape of part 71 is such that each vertical section through its wall extends substantially along some logarithmic curve, as will be explained a little later; however, for manufacturing convenience and to allow easy use of flat sheets wound in a conical shape, part 71 may be formed of four frustoconical parts 71a, 71b, 71c and 71d.
For shipping and assembly convenience, parts 71b and
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71c by suitable and detachable flanges or flanges, while the other parts can be assembled by welding; for example the peri-edge
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upper ring of part 71a is welded to the peripheral edge of part 70, and the lower peripheral edge of part 71a is
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welded to the peripheral upper edge of the part 71ho The lower end of the part 7ld preferably comprises a detachable flange 73 making the connection with the upper end of the discharge pipe or barometric branch 38.
As can be seen in the drawing, the paste penetrates tangentially from the pipe 32, at a point close to the chamber 70,
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the dough swirling on itself and acting to maintain a swirled layer, as already indicated, on the inner face of part 71 ... As shown in the drawing, this swirled layer surrounds a central evacuated core , that is to say under vacuum, which becomes smaller and smaller towards its lower part and which disappears just above the upper end of the barometric branch.
The above-mentioned curve is indicated by line 75 in Figure 8. This curve is preferably disposed between the inner and outer faces of the vortex layer and can be roughly drawn by graphing the equation:
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h = g lodge - where: h is the height of any point ± on the curve above the Lower end of the gas core contained in the vortex;
V is the speed of the liquid introduced into the chamber to create the vortex; g is the intensity of gravity; r is the radius at this point with respect to the axis of the journal;
R is the radius of the current inside the curve and at the location of the discharge pipe or barometric branch.
This equation is based on the assumption that the velocity V remains constant, this assumption appearing roughly correct for practical uses. If we suppose that the vortex is limited by a surface whose section conforms to this curve, we can show mathematically and theoretically that the force applied to a particle at any point p of the curve and tending to move this particle downwards along this surface is equal to the force which tends to move the particle upward along the boundary surface, these two forces balancing each other.
On the other hand, on any particle placed in the vortex at a point inside with respect to the point ± the force is such that it tends to make the particle rise, while if the constriction of the chamber allows the vortex particles to lie just outside of curve 75, the force applied to these particles tends to cause them to descend.
We can explain these phenomena by considering the diagram of figure 9; in this diagram, a particle located at point 12 is subjected to a centrifugal force directed horizontally, radially and outwards.
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laughing, this force being indicated by the vector ü2 and it is subjected at the same time to the gravity directed vertically downwards and represented by the vector go In this diagram, the angle made with the horizontal by the assumed surface on which the particle moves is represented by Ó.
Thus, along this surface and upwards the particle is subjected to
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a force indicated by the vector Y: t cos (X and it is subjected cos e ...... e at the same time, along this surface and downwards, to an equal and opposite force which is indicated by the vector g sin Ó, provided that said surface conforms to the curve represented by the equation given above.
Due to the foregoing facts, if the vortex layer is established and maintained in the lower portion 71 of the chamber, in part
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inside and partly outside of curve 75, it appears that the inner portions of the liquid or liquid mixture of the vortex (where r is smaller) tend to rise and that a force significantly greater than
V2 / r cos Ó, prevents them from falling towards the exit of the base of the chamber; at the same time, the portions of the vortex outside the curve 75 (where r is greater) are forced to descend along the wall of the chamber under the action of a component of their weight.
On the other hand, since the vortex necessarily has an angular velocity producing in the liquid bubbles subjected to centrifugal force, these bubbles are expelled rapidly to the interior surface of the vortex which tends to rise; thus, these bubbles cannot escape at the base of the vortex.
The same effect occurs not only on all the small bubbles which remain in the liquid when the latter is introduced into the chamber, but also on the gas which may remain in the liquid in the form of solution or of occlusion; indeed, since the vortex layer contains a core of gas maintained constantly at a pressure below atmospheric pressure, the gas still remaining in the liquid in solution or in occlusion tends to form bubbles which immediately move towards the inside and up to the central core under vacuum, and these bubbles are therefore not likely to mix again with the liquid; they exit through the lower discharge opening.
The chamber 33 is shown in figure 8 with its various parts drawn to scale and consequently having exact relative dimensions, assuming that the speed of the current introduced is equal to 2.1 m per second and that the radius R of the current evacuated at the base is equal to 5 cm, the radius of the input current being equal to 3.75 cm. A chamber of this size and shape is designed for use in a system such as that of Figure 2 in which a main separation chamber 10a is used with an inner diameter of 10 cm as already indicated. .
In Figure 8, the wall of chamber portion 71, including its parts where the different sections are assembled, is disposed entirely just outside of curve 75; however, approximately equivalent results can be obtained by placing the tangential inlet so that it projects the input current slightly downwards, as shown by the dotted lines at 32 ', and placing the wall of the chamber portion 71 substantially on the curve 75 or even slightly at Inside it, taking into account the inclination angle of the entrance 32 'downwards.
This becomes possible because, if the introduced liquid initially receives an acceleration directed slightly downward, the force represented by the vector cos Ó is overcome in the outer portions of the vortex due to the initially communicated downward velocity, even if the outer portions of the vortex are not outside the curve 75.
With the plant shown in Figure 2, comprising a chamber 33 having the shape shown in Figure 8, it has been found that up to 90% of all gases contained in typical pulp suspensions can be removed. paper and that these gases can be evacuated at various lower percentages if desired by adjusting the degree of vacuum applied.
It is considered that in ordinary cases it is undesirable to remove more than 90% of the gases and that in some cases it is necessary to stick to a lower percentage, since it is found that leaving a a small quantity of gas, this promotes the maintenance of the fiber in the state of dispersion. In other words, a small amount of gas remaining tends to prevent the fiber from settling to the bottom of the liquid. However, it seems important in current practice to extract substantially all the gases present in the form of bubbles, because otherwise the tar tends to accumulate on the bubbles; in the absence of these bubbles, the tar remains perfectly dispersed and advantageously adds to the other solids contained in the suspension; it is therefore not useful to eliminate it.
It is easy to determine the optimum percentage of elimination
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gases by carrying out vacuum degree adjustment tests with the device described stressas.
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If desired, effectively use the chamber shown in Figure 8 to separate gases contained in liquids or liquid suspensions, independent of any preliminary gas separation performed with the separation chamber 10a.
A chamber like the one in figure 8 is much more efficient for this application than a cylindrical chamber would be if we want to maintain a gas core having the shape of a funnel! this is due to the fact that the vortex liquid is kept in a fairly large zone in the form of a relatively thin layer, all of the extreme inner portions of which can thus be subjected to the pressure lower than atmospheric pressure, this pressure, combined with centrifugal force, being extremely effective in driving gas, whatever its form, out of liquid.
On the other hand, if such a chamber was cylindrical with an inverted cone-shaped gas core or
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having another similar shape, it appears that a large quantity of the liquid contained in such a cylindrical chamber would remain too far from the region of low pressure, that is to say from the region of the core subjected to vacuum, to be effectively freed of its gas.
Fig. 2 further shows a possible arrangement for the secondary treatment of the discharged pulp which contains impurities, after it has been discharged from the main separation chamber 10a. Indeed, a small secondary separator of the vortex type 80 is connected to the installation so as to receive the paper pulp discharged in the vicinity of the lower end of the pipe 54o. The separator 80 can be analogous to the chamber 10a at construction and operation point of view; however, it is not necessary in common cases to maintain a vacuum core in separator 80.
Line 54 can be connected in such a way as to project the paste supporting the impurities tangentially inside.
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of a head 81 similar to the head 11a already described, but smaller than the latter and comprising an axial discharge outlet 82 for the dough freed from its impurities, this outlet 82 is connected to a pipe 83 leading to the box 40 The small slurry fraction which is discharged with the impurities out of the separator 80 can be discharged tangentially through the line 83 and then through an adjustable discharge valve 84.
With the secondary separator 80 connected in the position shown, it is not necessary to provide a pump to feed it with paste.
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• paper, since the pulp discharged from chamber 10 is subjected to a certain pressure equal to, for example, about 0.35 kg / cm2; this pressure, to which is added the pressure due to the height of the suspension column in the pipe 54, is largely sufficient to achieve the necessary inlet pressure in the head 81.
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With a main separation chamber, such as 30, but having a diameter of 25 cm, the lower part of this chamber may be preferably constructed as shown in Figures 10 and II. Here, the cup-shaped part 60a is preferably manufactured independently of the bottom 64a to
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for reasons of convenience of machining, these two parts are assembled removably by bolted flanges 92. The gas outlet pipe preferably has at its upper end a constricted neutral part 93e so that the gas outlet the outer diameter of its upper end is small enough to be disposed within any layer of scum or bubbles which may arise around the inner surface of the liquid vortex.
The fillet 67a $ around the base of the pipe 62, a, is preferably of smaller radius than the corresponding part of FIG. 7; in fact, the fillet can be omitted if desired. From other points of view, the construction of the different parts of Figures 10 and II may be similar in principle to that of the bottom part of Figure 7; the parts which correspond in figures 10 and II to the parts shown in figure 7 are designated by the same reference numbers to which the letter has been added.
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be "". The dimensions of the parts of Figures 10 and here are also shown.
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1ment to scale, assuming that the internal diameter of the cy-
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lOb is equal to 25 cm.
Figures 12 to 15 inclusive relate to variations of the invention in which the device is constructed and arranged to discharge under pressure treated pulp as well as rejected pulp containing impurities; thus, it is sufficient to evacuate the gas by means of a suction means, consequently avoiding the obligation to remove from the material treated and evacuated an appreciable quantity of scum, bubble or gas.
These embodiments of the invention also make it possible to evacuate the gas from the vortex core preferably at both ends so as to be sure that the portions of liquid immediately surrounding the vortex core are rapidly subjected to a pressure under -atmospheric and that dissolved gases and gaseous occlusions are released entirely from these portions of liquid.
In the example of FIG. 12, the construction produces a vortex capable of reversing its movement as has already been explained, but in FIG. 14 on the contrary. 9 a vortex forms which starts at one end of the separation chamber and progresses towards the other ectremi-ty thereof, where the treated and accepted pulp and the rejected pulp containing impurities are both discharged under pressure.
If we now refer in more detail to Figure 12, it is seen that the device according to the invention and shown in this figure comprises an elongated chamber 100, of circular section, and preferably slightly conical, although that this is not necessary, with its smaller end facing down. As can be seen, this chamber preferably has a length equal to several times its diameter; however, when it is conical, its length may be slightly shorter than in the case of cylindrical chambers intended for the application
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embodiments mentioned above.
In the drawing, the different parts of the device are shown approximately with their preferred relative dimensions,
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At the upper end of the ion chamber, an inlet pipe 1CBL is provided, this pipe is connected by a connection flange to an inlet head 102, which is itself connected in a removable manner to the chamber 100 by any suitable means including, if desired, assembly flanges 103, (The various pairs of assembly flanges shown in the drawing can be bolted in a loose manner. visible, but the bolts have not been shown for simplicity).
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The head 102, as can be seen more clearly in dotted lines in FIG. 13, has the shape desired to inject the paste to be treated in a generally tangential direction inside the chamber, so as to achieve a
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helical flow of the liquid mixture (as shown by helix 10) downwards and along the inner walls of the chamber to the region v0; 1: - sine of the lower end thereof, the current helical had t8urbi1.- lonnalre then overturning and forming an internal vortex (indicated by helix 105) which moves upwards; this vortex surrounds a core (inlet 106 which is subjected to an appreciable vacuum and which is free or substantially uniformly free of liquid.
The lower end of the chamber comprises an axial gas discharge pipe 107; This line is connected to a vacuum pump to constantly remove gases and vapors from the core region and thereby subject the tubular layer of liquid forming the interior vortex 105 to subatmospheric pressure along its entire length. On the other hand, as shown in the figure, the core 106 extends to the top of the device, where one can provide another gas outlet 108 which is connected to the vacuum pump.
Any impurities or solid particles heavier than the liquid are driven outward in the helical flow, i.e.
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say towards the interior walls of the chamber, and, as os sees it in: lu9., towards the lower parts of the chamber; these particles accumulate along its walls and descend along them and the interior walls.
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res of the bottom part 110; they are then discharged preferably with a small quantity of liquid through a tangential outlet 111
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connected to a discharge line 112; this pipe comprises an adjustment valve 113 for adjusting the flow rate of the pulp rejected with the unwanted particles.
As can be seen in the drawing, the Interior of the back piece 110 is preferably gradually constricted going towards its lower part; in this way the liquid in the extreme interior portions of the vortex progressing towards it. the bottom gradually accumulates towards the gas discharge line 107 and thus reverses its direction of flow to form the upwardly directed inner vortex. Further down, near the tangential exit, the bottom part 110 on the contrary widens appreciably internally for reasons which will be explained a little further on.
The processed dough is incorporated largely into the tcurbllloa.
Interior flowing upwards and rises through a central channel 115 provided in head 102; the wall surrounding this channel at the upper end thereof is assembled by a flange 116 on an upper chamber 117. Thus, as has been indicated, the internal vortex progressing upwards can rise as far as the upper chamber 117 , which, as shown in the drawing, has the desired shape to allow this vortex to expand rapidly in the direction of its diameter; the inner vortex then enters a disc-shaped cavity 120, the diameter of which is preferably equal to a certain number of times that of the lower parts of the vortex directed upwards, and this for a purpose which will be explained a little later.
The treated pulp is finally discharged tangentially from the cavity 120 through a channel 121, the diameter of which is preferably increasing and which is connected to a pipe 122 responsible for discharging the treated pulp.
As the outer vortex progresses downward in chamber 1009 if this chamber has a slight taper as seen in the drawing, the circumferential speed of the vortex increases gradually, and one is sure that the heavier unwanted particles are projected outwards with an increasing force, while the bubbles, which were originally in the liquid or which are formed by gases released previously in solution or in occlusion, are forced out into the interior vortex , Some of the Inner portions of the vortex, which have been freed of impurities and bubbles, collect in the inner vortex progressing upward;
as the outer tourbillon progresses downward into the still narrower back piece 110, the remaining inner portions of this tourbillon reverse their motion and move upward in the form of an inner tourbillon, while only the inner portions The outer surfaces of the vortex progressing downwards continue their movement and swirl around the disc-shaped chamber portion 123, the diameter of which is larger and which is provided in the back piece.
The effect produced in this chamber thus tends to convert a significant part of the kinetic energy of the pulp containing the Impurities into pressure energy around the periphery of the chamber 123, so that the rejected pulp comes out through the tangential orifice 111 with sufficient positive pressure so that there is no need to use pumping means to direct this paste to secondary processing equipment or to the desired point of discharge .
When the processed paste contained in the high speed upward vortex enters the enlarged portions of the top piece 117 at the top of the device, its kinetic energy is quickly converted back to pressure energy; when this paste swirls around the periphery of the disc-shaped chamber 120, its speed decreases and its pressure increases to a value comparable (except for friction losses) to that of the pressure of the paste in the inlet line 101;
thus, when the treated paste exits through the tangential orifice 121, the cross section of its flow increasing still further in this orifice, the sensitive paste freed from its gases is then at a pressure such that it can easily be directed to desired point of use without generally resorting to any pumping; by saving in the upper room
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117 a chamber having the shape shown, the central gas core is maintained up to the gas discharge pipe 108.
In the embodiment shown in FIGS. 14 and 15, a vortex is maintained which starts from one end of the separation chamber and which exits through the other end without reversing the direction of its direction of travel; with this kind of vortex, the mixture or suspension is simultaneously subjected to the elimination of impurities or heavier particles and to the release and separation of the gases comprising the dissolved gases and the occluding gases.
If the separation chamber is made with a relatively long length, the removal of gases and that of impurities can be carried out efficiently and simultaneously with this kind of unidirectional vortex; however, when it is desired to use the gases to keep some of the particles (such as pulp fibers) dispersed while removing other particles during impurity removal, the vortex of the dough should be preferred. reversal of motion type.
Turning now to Figures 14 and 15 in more detail, we see that the liquid or paste to be treated arrives through an inlet pipe 130 into a constricted inlet passage 131 which projects the mixture tangentially to the periphery of 'a chamber 132 in the form of a disc.
As in the case of the inlet connection of Figure 1, the constricted inlet 131 here causes the conversion of a significant part of the pressure energy into kinetic energy, and when the high velocity mixture enters the chamber 132 disc-shaped, it rotates (with uniform angular velocity) in the form of a free vortex, in which the pressure energy is converted once more into kinetic energy as the liquid or mixture enters the tip upper part of an elongated separation chamber 133, the section of which is circular (this chamber may be cylindrical as in FIG. 14 or slightly conical as in the case of FIG. 12).
The liquid then descends along the walls of the chamber 133 following a helical trajectory with a speed high enough to leave a gas core 135 in the center. The impurities or other relatively heavy particles to be separated are projected onto the walls of the chamber. chamber and descend to the bottom of it, or they are removed by a slightly protruding annular scraper 136; then, they exit with a small quantity of liquid through an opening, or annular slot 136a to enter a chamber in disc shape 137.
In this chamber, as the liquid swirls and progresses towards the periphery, its kinetic energy is converted back into pressure energy, and finally the impurities, with the small amount of liquid which carries them along, are discharged tangentially to through the flared outlet 138, then through a discharge line 139 which may be provided with a control valve.
At the same time, the impurity-free paste which has passed near the scraping paddle 136 continues to descend and swirl in a disc-shaped chamber 140 around the periphery of this chamber; sufficient pressure is established by converting the kinetic energy of this pulp back into pressure energy so that the treated pulp is discharged tangentially through a flared outlet 141 and a pipe 142 at a positive pressure comparable to the pressure in the pipe d 'entry 130.
One end of the core 135, or both ends of this core are connected to gas outlet pipes 144, 147 leading to one or two vacuum pumps, which constantly maintain the core 135 at sub-atmospheric pressure, as in the case of figure 1.
The ends, such as 146 and 148, of these gas outlets preferably project respectively into the two ends of the core; the end surfaces at 146 and 148 are preferably relatively thick so that the gas outlets are small enough to only allow gas to escape only to the vacuum pumps; on the other hand, the gas outlet orifices must be surrounded by an annular surface of sufficient width to prevent the passage of gas outside these end surfaces.
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The device shown in Figures 16 to 18 is constructed so as to pass a vortex of the paste to be treated directly through a separation chamber, and from there directly into a suction pump or barometric branch without reversing the direction of advance. of the tour- billon. A gas core is maintained in the vortex at subatmospheric pressure by constantly venting gas from the middle portion of the inlet end of the separation chamber; towards the other end of this chamber the vortex channel has a shape such that the gas core decreases in diameter and disappears, either before the treated current passes into the suction pump, or well before it passes to any considerable distance, in a barometric branch, if this is used in place of a pump.
Again, the walls of the separation chamber are preferably constricted and formed, in the regions remote from the inlet end, so that the liquid immediately surrounding the core tends to return to the exhaust connection. gases, and thus the bubbles or gases which have been forced into the extreme interior portions of the vortex cannot pass with the treated paste, while the liquid in the outer portions of the vortex is free to switch to the barometric branch or to the equivalent suction pump; at the same time, a small amount of liquid or suspension containing the unwanted solid particles, which have been driven into the outermost part of the vortex, is skimmed off and discharged.
In figure 17, the nucleus
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of the vortex, in a region remote from the entrance of the dough, disapralt due to the combined effects of the constricted shape of the walls of the chamber and of an obstacle disposed in the middle part of the stream of treated dough.
If we consider in more detail Figure 16, we see that the suspension of the liquid to be treated is delivered under pressure from an inlet pipe 50 through a head 51, the inlet portion 52 of which has a suitable shape to considerably reduce the cross section of the input current; from this trumpet-shaped part 52, the current is directed while
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gently into a chamber 53 to form a swirling layer 154 of the mixture around the lower walls of the head 153, and then around and on the inner walls of the head 153 then around the inner walls of a chamber 155 whose section is preferably cylindrical, the direction of the liquid flow in the vortex being indicated by propeller 156.
In the chamber portion 153 of the head, an axial gas discharge outlet 158 is provided for establishing the connection with a vacuum pump.
As the drawing shows, the lower end of the chamber
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155 is connected to another portion of chamber 160p whose walls have the form of a funnel, the upper portions of this funnel widen more and more outwards; thanks to this arrangement, the outer diameter of
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the vortex layer at 154a becomes smaller and smaller and the diameter of the core correspondingly decreases at 157a;
the core ceases to exist at a point i5'ib 'so that beyond this point the liquid stream no longer includes a gas core. To effectively achieve this arrangement, the internal constriction of the portion chamber 160 should preferably be such that the components of centrifugal force and gravity actually acting on the liquid in the extreme interior portions of the chamber.
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swirl layer 154a can give these interior portions a tendency to rise, while the liquid in the exterior portions of the swirl layer can pass freely downward.
So, assuming that a vertical section at a point 1? makes an angle Ó with the horizontal, a particle located at this point is subjected to a force
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directed upwards along the wall and equal to V2 cos C; this r force applied to the particle is balanced by another force directed towards
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down along the wall and equal to g sin tK; in these two expressions, V denotes the speed of the current introduced tangentially, r ie radius at polish 1? with respect to the axis of the device and ± the acceleration of gravity.
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As explained more fully above, it is possible, by taking these opposing forces into consideration, to shape the vertical section of a funnel-shaped chamber into the desired shape to achieve the above-mentioned result. above, that is to say to raise the liquid from the inner portions of the vortex layer and to lower the liquid from the outer portions of this layer. In the case where the outlet 166 is constituted by a barometric branch, this one must have an appropriate height to maintain the liquid level in or above the.
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choked section 160; on the other hand., if the discharge is to a suction pump, this pump must be capable of producing an equivalent effect.
Consequently all gases, vapors and bubbles, released from the tower layer
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Cylinders through all chamber portions are rapidly driven out of the core, or if some remains in the extreme interior portions of the vortex, within chamber portion 160, these remaining vapor or bubble gases are There is no possibility of passing through the processed pulp stream, as the end interior parts of the vortex move upward.
As seen in the drawing, the chamber portion 160 is
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connected to a next chamber portion 161, most of which may be cylindrical. In the portion I6z9 the solid particles contained in the vortex were projected on the walls, along which they move downwards, to then escape outside a lip
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annular 162, that is to say in a small annular cavity 163; a small quantity of the paste, together with the particles, is discharged tangentially from this cavity through an outlet 164 provided with a valve
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appropriate setting 165; here the construction is analogous to that shown in the horizontal section of figure 18.
Either a barometric branch, the upper part of which is Indicated at 166, or an appropriate suction pump, then receives the swirling stream of pulp treated at 167, this stream being free of bubbles and gas and free of unwanted solid particles. .
The device of Figure 17, except for the features mentioned below, is similar to that of Figure 16, and the corresponding parts are designated by the same reference numbers accompanied by the sign "prime". In Fig. 17, the walls of chamber portion 160 ', instead of being formed with the particular curvature explained above in connection with Fig. 16, have a slightly conical shape, with rectilinear generators.
The chamber portion having this conical shape is incapable of completely removing at 170 a vortex core of gas; on the contrary, this core indicated at 171 tends to extend inside the vortex; therefore, a tapered central obstacle 172 has been mounted here which preferably extends to the lower end of the chamber portion
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16L'5 and up to a certain distance in the upper end of the outlet I66'o This obstruction member 172 can be supported by small rods 173 in the form of a spider which are fixed in or on the member 172 , with dormice outer portions passing through the walls of the chamber portion 166. Thanks to the obstruction member 172, the vortex core finally ends, as seen at the upper end of this member.
In the device of FIG. 19, the liquid mixture to be treated is admitted under pressure tangentially through an inlet 180 in an extreme and cylindrical upper part 181 of a separation chamber; in this way, a helical current, in the form of a vortex
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exterior progressing downward and indicated at 182, is established in a portion of conical chamber 183 of great length and slightly flared. This helical current, as indicated, gradually decreases in diameter and its parts gradually reverse their movement to form an inner helical current 184 which progresses upwards and surrounds a small nucleus.
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of gas 185.
Heavier particles, such as impurities, are driven out of the vortex by centrifugal force in the vicinity of the lower outlet end 186 of the conical chamber portion, and they drop.
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ash to outlet 187 where they are discharged into a closed chamber 188, along with a small amount of the dough.
This closed chamber 188, as can be seen in the drawing, is placed in communication by a line 189 with a suitable vacuum pump; it is designed and arranged so as to be normally partially filled, as shown in the figure, with the discharged suspension containing the impurities. The bottom of the chamber 188 is connected by a pipe 190, either to a barometric branch or to a suitable suction pump, so that the discharge of the dough out of this chamber takes place with approximately the same rate as the discharge of the dough outside the conical chamber disposed above.
It is thus seen that the small, hollow and elongated core 185 formed in the vortex can be constantly maintained at sub-atmospheric pressure by means of the vacuum chamber 188; this sub-atmospheric pressure is preferably approximately equal to the normal vapor pressure of the suspension to be treated in the portion of chamber 183, that is to say for example to an absolute value of between 4 and 8 cm of mercury.
Consequently, dissolved gases and gas occlusions in the journals of the conical chamber portion 183 have a strong tendency to release from the liquid nearest the hollow core due to this subatmospheric pressure, and these released gases , as well as the steam present in the hollow core and the gases contained in the bubbles or scum forced back into the hollow core, are constantly discharged downwards through the hollow core into the cavity 188, from where they are sucked by the vacuum pump.
During this time, the processed pulp which is incorporated in the upward advancing return vortex 184 exits through the central outlet 191, at the upper end, and can be discharged through this crate at the top. applying to outlet port 192 some suitable venting device, such as a barometric branch or a suction pump.
; Because of the vacuum maintained in the core of figure 19, and of the constant and rapid extraction of gases outside this core and in the closed cavity 188, we are sure that the greater part of the gases in suspension are evacuated through connection 189 to a vacuum pump; however, some bubbles may be carried by the treated pulp through connection 192, and if it is desired to remove these bubbles, in case their quantity is sufficient to be undesirable, they may be separated by passing the pulp. through an additional scum separation chamber, as described above.
CLAIMS.
1) Process for separating gases from a liquid, characterized in that a direct current of the liquid is directed tangentially in a chamber subjected to a pressure such that the proportion of pressure energy of the current converted into kinetic energy generates in the chamber an elongated high speed vortex comprising an internal gas core, which gas is evacuated from this core so as to maintain the latter at a reduced pressure relative to the interior portions of the vortex, and finally which is withdrawn continuously vortex a stream of treated liquid,
2) Process according to:
It is characterized by the fact that a direct current of the liquid is directed into a chamber of circular section, so that the liquid passes through this chamber in the form of an elongated vortex comprising a hollow core, that the gas is evacuated of this core with a flow rate calculated so as to maintain a reduced pressure in the core, and that a stream of liquid separated from this journal is continuously withdrawn.
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