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La présente addition concerne des procédés et dispositifs per- feotionnés pour séparer de liquidée et de mélanges liquides des gaz et par- tioules indésirables; elle est destinée en particulier, parmi d'autres applications possibles, au traitement des suspensions de pâte à papier.
Les séparateurs du type tourbillonnaire ont été utilisés d'une manière intensive pendant quelque temps pour extraire des particules lour- des indésirables, telles que des impuretés, de liquides ou de suspensions liquides, tels que des suspensions de pâte à papier. Dans certaines de- mandes de brevets déjà déposées par les demandeurs, on a décrit des sépa- rateurs du type tourbillonnaire, dans lesquels on introduit le liquide avec une grande vitesse et dans les conditions voulues pour maintenir un noyau stabilisé de gaz à basse pression à l'intérieur des tourbillons du dispositif;
c'est le cas des demandes de brevets déposées par les deman- deurs aux Etats-Unis le 11 Octobre 1952 sous le N Ser. 314*248, le 6 Dé- cembre 1952 sous les Ne Ser. 324.561 et 324.562, et le 13 Janvier 1953 sous les N Ser.331.061 et 331.062. Grâce aux dispositions décrites dans ces demandes de brevets, les gaz dissous dans le liquide à traiter, ainsi que ceux qui sont adsorbés par les particules solides de la suspension liquide, peuvent être extraits, en même temps que des bulles, si le liqui- de sortant du dispositif est déchargé sous vide et si le noyau de vide est maintenu à une pression nettement inférieure à la pressipn atmosphérique.
Pour extraire les gaz de la solution dans un tel dispositif, il est capi- tal de maintenir le liquide à une faible pression pendant un temps suffi- sant pour que les gaz s'échappent de la solution sous forme de bulles et soient ensuite entraînés vers le noyau de vide, Les bulles formées dans le liquide s'échappent rapidement vers le noyau de vide sous l'effet de la force centrifuge et tendent à entraîner avec elles les particules adhé- rentes telles des matières grasses ou huileuses, ou des particules quel- conques dont la surface ne se mouille pas très bien sous l'action du li- quide présent.
La présente addition a pour objet des procédés et dispositifs permettant d'extraire, d'une manière plus efficace, de suspensionsliqueides des particules lourdes telles que des impuretés, ainsi que des bulles de gaz, des gaz dissous et adsorbés, en même temps que des matières huileuses indésirables, susceptibles de flotter.
Le mode de réalisation préféré de l'invention oonsiste en un sé- parateur perfectionné du type tourbillonnaire, dans lequel on fait couler le liquide ou la suspension à. traiter, d'abord sous la forme d'un tourbil- lon extérieur dans une première directin et sur une distance assez grande, ensuite dans la direction inverse
Dans la région du changement de direotion de ce courant, les par- ticules lourdes, telles que les impuretés, ont été projetées en grande par- tie par la force centrifuge à. la périphérie du tourbillon, et une petite quantité du courant, que l'on appellera "matière éliminée", est donc dé- chargée dans cette région.
Le reste du courant, après avoir changé de di- rection, forme un tourbillon intérieur et la suspension traitée et désirée est retirée de la partie extérieure de ce tourbillon, après avoir parcouru un certain trajet, tandis qu'une petite partie du tourbillon contenant des particules indésirables et des bulles entraînées change de nouveau de direction pour former un troisième tourbillon, qui se trouve de plus à l'intérieur et qui entoure un noyau de gaz, La matière de ce tourbillon est finalement extraite au premier point de changement de direction, en même temps que la matière éliminée mentionnée ci-dessus, de manière à main- tenir à une pression soue-atmosphérique le noyau de gaz contenu dans les tourbillons et le liquide voisin de ce noyau.
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Ce procédé perfectionné impliquant l'emploi d'un tourbillon "à trois voies" et le dispositif permettant de le mettre en oeuvre se sont révélés plus économiques, plus efficaces et plus sûrs que tous les anciens dispositifs, pour extraire des suspensions de pulpe non seulement les par- ticules lourdes et indésirables des impuretés et tous les gaz indésirables, mais aussi certaines matières indésirables et flottables, telles que des morceaux de goudron, de carborundum et d'écorce. De plus, 1 équipement nécessaire peut être installé facilement dans l'espace généralement limi- té dont il fallait disposer jusqu'à présent pour les séparateurs tourbil- lonnaires ne séparant seulement que les impuretéso D'autres buts,
caractéristiques et avantages plus particuliers de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et se réfère au dessin annexéo Cette description donnée uniquement à titre d'exemple se rapporte à des modes de réalisation préférés de l'in- ventiono Celle-ci a pour objet les caractéristiques, dispositions, com- binaisons de pièces et opérations, telles qu'elles sont représentées et décrites ici.
Sur le dessin
La figure 1 est une coupe verticale d'un séparateur tourbillon- naire constituant un mode de réalisation préféré de la présente addition; la figure 2 est une élévation de la partie supérieure de la fi- gure 1; la figure 3 est une coupe verticale de la partie supérieure de la figure 1, le plan de coupe étant perpendiculaire à celui de la figure 1; les figures 4 et 5 sont des coupes horizontales faites respec- tivement suivant les lignes 4-4 et 5-5 de la figure 2 ; la figure 6 est une coupe verticale à grande échelle de l'une des parties inférieures du dispositif de la figure 1 ; la figure 7 est une coupe verticale d'une variante des parties supérieures du séparateur;
la figure 8 est une vue schématique montrant un moyen préféré, parmi d'autres moyens possibles, pour relier un certain nombre de sépara- teurs analogues à celui de la figure 1 ou de la figure 7, à un équipement de pompage et à un séparateur secondaire du type tourbillonnaire, en vue de réaliser un fonctionnement efficace;
la figure 9 est une coupe longitudinale d'une variante du systè- me de décharge de la matière éliminée par le séparateuro
Si on considère maintenant les figures 1 à 5 et le fonctionne- ment détaillé du dispositif représenté sur ces figures, on-voit que le li- quide ou la suspension liquide à traiter pénètre tangentiellement dans un ajutage 10, dont la forme est choisie de manière à réaliser un courant ayant une section transversale aplatie comme on le voit en 11 (figure 3 Le courant d'arrivée est guidé autour de la région d'entrée par un guide en spirale 12 à un seul tour;
ce courant est étranglé de préférence de manière que plus de 50% de son énergie de pression soit converti en éner- gie cinétique et que le liquide forme dans une chambre cylindre 13 un tourbillon hélicoïdal descendant, autour de la paroi intérieure de la cham- bre, en laissant au centre et le long de l'axe de la chambre un espace de gaz 140
Quand le courant hélicoïdal a effectué environ trente tours ou davantage, comme le montre la série des flèches 15, le liquide rencontre
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un cone 16 dont les parois sont incurvées vers l'intérieur.
Ce cône peut comporter à son extrémité supérieure une bride appropriée qui permet de l'assembler en 17 sur l'extrémité inférieure de la chambre 13; la forme de la surface intérieure de ce cône est telle qu'elle renvoie en arrière la partie du liquide traité, qui, passant à une certaine distance de la paroi de la chambre 13, n'a perdu que très peu d'énergie par frottement, mais non le liquide qui est passé près des surfaces de paroi de la chambre et qui a perdu par conséquent une partie importante de son énergie par frottement contre les parois. Ce dernier liquide descend donc en même temps que les impuretés lourdes, qui ont été projetées contre les parois; il traverse le cône incurvé et sort à la base de celui-ci à travers un orifi ce de décharge 18, sous la forme d'un courant de section annulaire.
Pour obtenir ce résultat, on donne à la courbure de la surface intérieure du o8ne 16, comme on l'expliquera plus complètement ultérieurement, une va- leur telle que le diamètre du cône diminue rapidement dans sa partie su- périeure en allant vers le bas, mais qu'il diminue progressivement de moins en moins vite dans sa partie inférieure, en allant vers le bas.
Le liquide traité et renvoyé vers le haut par les surfaces incli- nées du cône constitue un courant hélicoïdal ou tourbillon 20, qui se trou- ve à l'intérieur du tourbillon descendant; celui-ci entoure complètement le courant 20, qui s'étend jusqu'à un orifice supérieur de sortie prévu dans un dispositif 21. Celui-ci comprend une structure annulaire comportant une paroi extérieure 22, autour de laquelle circule le tourbillon d'en- trée 15, et une paroi intérieure 23 constituant une capacité cylindrique qui reçoit le tourbullon montant 20.
Les extrémités inférieures des parois
22, 23 peuvent être réunies d'une manière étanche par une plaque annulai- re 24 comportant une ouverture centrale 25 à travers laquelle passe le tourbillon montant 20 ; trajet de celui-ci est séparé par la plaque 24 de la plus grande partie du tourbillon descendant; cette séparation peut être encore améliorée en prévoyant sur la paroi cylindrique 22 une partie saillante 26 dirigée vers le bas.
Comme on le voit sur la figure 1, l'ouverture centrale du dis- positif 21 est suffisamment large pour recevoir facilement le liquide s'é- coulant vers le haut, ainsi que le noyau central de gaz 14. l'extrémité supérieure du tourbillon 20 rencontre un bossage conique et relativement aplati 27 prévu sur la face inférieure d'une plaque supérieure 28 ; ce bos- sage conique à sommet arrondi est formé et disposé de manière à ménager une fente annulaire 29, à travers laquelle le liquide traité peut passer pour arriver dans une chambre 30.
Comme on le voit sur la figure 4, la forme de la chambre 30, avec sa paroi extérieure 31 tracée par exemple sui- vant une spirale équiangle, est telle que le liquide tourbillonne en s'é- cartant progressivement du centra avec une section progressivement crois- sante et sort ensuite par un orifice tangentiel de sortie 32. En traver- sant la chambre 30 pour sortir par l'orifice 32, le liquide traité ou ma tire acceptée" a une partie importante de son énergie cinétique conver- tie de nouveau en énergie de pression; ainsi,, on peut, dans certains cas et si on le désire, déchanger la matière avec une pression positive, tout en maintenant cependant un noyau de vide dans le dispositif.
Quand le liquide du tourbillon montant 20 rencontre la surface conique 27 à sommet arrondi, les parties intérieures de ce tourbillon, ain- si que les bulles éventuelles et la mousse, changent de direction et re- partent vers le bas, en formant un écoulement hélicoïdal et intérieur ou troisième tourbillon désigné sur le dessin par l'hélice géométrique 35.
Ce tourbillon intérieur 35 sort à la base du séparateur par l'ouverture 18, à l'intérieur du courant annulaire, de la matière éliminée contenant des impuretés. Le liquide éliminé et tourbillonnant est déchargé avec lé
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gaz à travers un raccord 36, dont la forme permet de préférence au courant de se dilater en entraînant le gaz et en maintenant dans le noyau 14 une pression sous-atmosphérique par suite de l'effet résultant d'échappement.
La figure 7 représente une variante de la tête ou partie supé- rieure du dispositif de la figure 1; on estime cependant que le disposi- tif de la figure 1 est préférable. Dans le mode de réalisation de la fi- gure 7 la matière à traiter pénètre tangentiellement dans la chambre cy- lindrique 13' par un ajutage d'entrée 10 Les tourbillons se produisant en 15 20 et 35' sont analogues à ceux décrits précédemment; cependant, sur la figure 7, la "matière acceptée",au lieu de sortir à travers une fente, comme en 29 sur la figure 1, soit à travers des perforations pré- vues dans un prolongement supérieur et cylindrique 40 du dispositif 21'.
Le tourbillon descendant et intérieur extrême est formé par le choc du tourbillon montant contre une plaque 41 ou un organe équivalent prévu dans la partie supérieure du dispositif . Le cylindre perforé 40 constitue en réalité un tamis à grosses mailles, qui permet le passage des particules de pulpe, mais qui arrête les particules indésirables .us grosses, les bulles de gaz et la mousse, qui peuvent être éventuellement entraînées vers le haut jusqu'à la plaque 41, et qui retournent ensuite vers le bas pour être déchargées avec la matière éliminée.
La ' matière acceptée" pé- nètre dans une chambre 42, puis s'échappe par un ajutage de sortie 430 La tête tout entière de la figure 7 peut être fixée d'une manière amovi- ble par une bride 44 sur un cylindre 13 De même, la tête du dispositif de la figure 1 peut être assemblée d'une manière amovible au moyen d'une bride 44 boulonnée convenablement ou serrée d'une autre manière, de sorte que l'on peut remplacer une tête par une autre ou la retirer pour exécuter un nettoyage ou une réparation. Le cône 16 de la base peut être fixé aus- si d'une manière amovible.
Des manomètres 45, 45 peuvent être branchés sur l'extrémité supérieure des noyaux de vide pour mesurer la pression sous-atmosphérique maintenue dans ceux-ci.
Les différents séparateurs décrits ici sont représentés comme étant montés dans la position verticale; cependant, on peut dans certains cas monter des séparateurs suivant différents angles par rapport à la po- sition représentée sur le dessin, en particulier si la vitesse des tour- billons est assez élevée pour que l'effet de la pesanteur ne soit pas trop grand sur ceux-ci. Par conséquent, les termes "supérieur", "vers le bas", et "inférieur" sont utilisés ici pour plus de commodité afin de définir les emplacements relatifs et les directin dans les dispositifs, mais ne doivent pas être considérés comme limitant l'application des dispositifs aux positions verticales représentées.
Les dispositifs décrits ci-dessus peuvent être utilisés sans être reliés à une source de vide ; dans ce cas, la pression de décharge à tra- vers le raccord 36 est positive,, et les particules solides indésirables, les bulles de gaz et la. mousse peuvent être alors déchargées à la pression atmosphérique; cependant, dans ces conditions, le dispositifne peut éli- miner du liquide à traiter que très peu de gaz dissous.
On désire pour- tant généralement extraire les gaz dissous, aussi bien que les gaz adsor- bés sur les particules ou les fibres dans la suspension ; dans ce cas il est nécessaire de monter un raccord de vide à l'extrémité inférieure du dispositifo Comme on le voit par exemple sur la figure 8, trois sépara- teurs peuvent avoir leurs extrémités inférieures se déchargeant dans un réservoir 46 à travers des conduites 47 l'espace à l'intérieur de la par- tie supérieure de ce réservoir étant relié à une pompe à vide 48 Le mé- lange liquide de la matière éliminée se trouvant dans la partie inférieure
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du réservoir 46 peut être extrait par une pompe 49 à travers une conduite
50,
de manière à refouler cette matière à travers une conduite 51 jusque dans un épurateur ou séparateur seoondaire 52, dont la construction peut être la même que celle représentée sur la figure 1 On admet de préférence de l'eau blanche à travers un raccord 53 muni d'un robinet, afin de diluer la matière éliminée, avant qu'elle se rende dans la pompe secondaire.
Grâce à cette décharge effectuée sous vide dans un réservoir 46 à partir des séparateurs, en vue de séparer les gaz déchargés de la matiè- re liquide déchargée, il est possible de séparer dans les séparateurs principaux autant de gaz dissous et adsorbés qu'on le désire, en môme temps que les impuretés, les bulles et la mousse.
Le séparateur secondaire 52 peut être utilisé avec un raccord de vide à son extrémité inférieure, comme les séparateurs principaux, si on le désire; on peut également si on*le préfère, décharger le séparateur secondaire à la pression atmosphérique, en comptant sur l'effet d'échap- pement du raccord divergent de décharge 36' pour maintenir une certaine pression sous-atmosphérique dans le séparateur secondaires cette pression permet alors de décharger les bulles, la mousse et les impuretés à tra- vers le raccord 47' pour lés faire passer au rebut ou dans un autre dis- positif de traitement.
La matière liquide acceptée et sortant du sépara- teur secondaire est ramenée à travers une conduite 54 vers le raccord d'admission 55 d'une pompe 56 qui refoule le liquide non traité à travers une conduite 57 dans les ajutages d'admission 10 des séparateurs primai- res. Le liquide accepté et traité sortant de ces séparateurs peut être déchargé à travers une conduite 58 et une pompe primaire de sortie 59, pour être dirigé vers le point d'utilisation de la matière traitée, par exemple vers une machine à papier dans le cas de suspension de pulpe à papier.
Toutes les connexions principales de conduites mentionnées pré- cédemment peuvent être munies de robinets pour régler le débit de l'écou- lement, et de manomètres pour indiquer la pression.
On a représenté sur la figure 9 une variante, des dispositions permettant de décharger la matière éliminée en dehors du séparateur. La structure est la même à la partie supérieure de cette figure que celle du séparateur de la figure 1, avec cette différence cependant que l'extré- mité intérieure du cône 16' se termine en 60. Le cône 16' est disposé dans une chambre cylindrique 61 qui est assemblée sur le cône par une bride 62. La chambre 61 comporte un raccord d'admission tangentiel et convergent, à travers lequel on introduit de l'eau blanche ou de l'eau quelconque pour diluer la matière éliminée.
Le but de cette disposition est d'augmenter l'effet d'échappement se produisant vers le bas à travers la sortie du cône 16 d'injecter en même temps à travers le raccord 63 le liquide né- cessaire pour diluer la matière éliminée avant qu'elle ne pénètre dans un séparateur secondaire, et aussi de réduire les pertes des matières fines et acoeptableso Cette disposition provoque dans la chambre 61 un tourbil- lon de mélange liquide dirigé vers le bas, de telle sorte que le noyau 14 à faible pression se prolonge vers le bas à travers cette chambre, et une faible pression est maintenue dans le liquide traversant l'ouverture 60, en appliquant un vide suffisant pour maintenir une pression sous-atmos- phérique à l'intérieur et autour du noyau, dans la chambre 13.
La matière diluée et chargée d'impuretés continue descendre à travers un cône 64, puis de préférence à travers un raccord 65, qui permet au courant de se dilater et contribue ainsi à augmenter l'effet d'échappement.
Le fonctionnement du dispositif, y compris la chambre 61, peut être compris en considérant les faits suivants.
Si on laisse au repos pendant une courte période une dispersion
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renfermant de grosses particules se déposant rapidement qui sont mélangées aveo de fines particules se déplaçant plus lentement, des particules des deux types se déposent mais le dépôt comprend naturellement surtout des particules se déposant plus rapidement.
Cependant les particules fines, qui se trouvaient plus près du fond, se déposent dans une certaine mesure et apparaissant dans le dépôt final en raison de la distance relativement courte que ces particules fines ont en à parcouriro La matière éliminée comprenant le dépôt contient par conséquent, dans le cas par exemple d'une dispersion de pulpe à papier, une certaine quantité de particules fines désirables en même temps que des particules lourdes indésirableso Des sé- parateurs secondaires, dans lesquels le dépôt est dilué, sont donc néces- sairespour récupérer les matières fines et désirables, qui seraient per- dues autremento D'autre part, si on ajoute le même mélange en suspension à la partie supérieure d'une masse de liquide clair,
une séparation plus poussée est possible et les grosses particules peuvent presque toutes tom- ber à travers le liquide clair jusqu'au fond, avant qu'une quantité ap- préciable des petites particules ne puisse atteindre celui-ci La perfection de la séparation est encore plus grande, si on fait clonler de l'eau clai- re vers le haut en contre-courant par rapport à la descente de la suspen- siono Grâce au courant montant, en empêche ainsi les fines de tomber, mais les matières plus lourdes ou plus grosses à dépôt rapide se déposent mal- gré le courant montant et sont obtenues sous la forme d'un dépôt complè- tement débarrassé des fines.
On voit ansi que, dans le dispositif de la figure 9 la matière éliminée descendant à travers le cône 16 passe à 1 intérieur d'un tourbillon d'eau claire ou d'eau blanche entrant dans le dispositif à travers le raccord 63o Les matières les plus lourdes sont ainsi facilement séparées en passant vers les parois de la chambre 61 et peuvent se déposer dans le cône 64, tandis que la pulpe fine et accepta- ble ne se dépose pas rapidement, mais est renvoyée en arrière vers la chambre supérieure par le cône incurvé 64
Pour permettre de réaliser le meilleur rendement du dispositif, avec des séparateurs de dimensions différentes et dans des conditions de fonctionnement variables, on expliquera maintenant la théorie du fonction- nement des différentes parties des séparateurs décrits ci-dessus D'abord,
en ce qui concerne le trajet suivi par les tourbillons dans le sépara- teur, en peut noter que, s'il n'y avait pas de pertes par frottement,, le liquide s'écoulerait suivant ce exerça, appelle un tourbillon libre, 01 est- à-dire un tourbillon dans lequel l'énergie contenue dans une unité de li- quide serait la même dans différentes positions radiales Puisque la ro- tation du liquide au centre d'un tourbillon tend à comprimer le liquide contre la paroi, il se produit une conversion de l'énergie de pression en énergie cinétique dans une unité de liquide se rapprochant de l'axe du tourbillon, jusqu'à ce que 1 on appelle éventuellement un état dans lequel toute l'énergie a été transformée en énergie cinétique,;
au delà de ce point de transformation totale en énergie cinétique, il n'y a plus de li- quide, mais simplement un noyau de vide, c'est-à-dire un noyau de gazo L'équation d'un tel écoulement est la suivante V = k/r sidêréo V étant la vitesse, k est constante, et r le rayon au point con- sidérée
Cependant, un tel tourbillon libre se présente rarement dans la pratique courante, sauf dans un dispositif très court dans lequel les per tes par frottement sont négligeables ou les vitesses très faibles,Au lieu d'avoir un tourbillon libre,,le liquide tourbillonnant avec un rayon plus petit perd de l'énergie par frottement en franchissant le liquide extérieur de plus grand rayon et cela pour deux raisons;
d'abord,, ce liquide à rayon
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plus petit, pour une même vitesse, doit parcourir une plus petite distan- ce pendant un tour et dépasse par conséquent les autres parties du liqui- de crayon plus grand; d'autre part, d'après le principe du tourbillon libre, le liquide intérieur se déplace plus rapidement. Les pertes F pro- duites par un tel frottement satisfont à l'équation suivante :
EMI7.1
= 4 1't' r
Dans cette équation, k est une constante,
1 est la longueur de la colonne du liquide tourbillonnant, u est la viscosité, r est le rayon au point considéré.
On peut voir, d'après l'équation précédente, que le liquide se trouvant près du milieu du tourbillon, c'est-à-dire en un point de plus petit rayon, perd son énergie très rapidement. Eventuellement, après une perte prolongée de frottement due au déplacement du courant tourbillonnai- re, le frottement d'une couche de liquide dépassant une autre couche ne cons- titue plus un facteur important et l'équation de l'écoulement, pour la vi- tesse aux différents rayons, se rapproche alors de l'équation suivante
V = kr V étant la vitesse en un point, k étant une constante, r étant le rayon au point considéré
En pratique, l'état tourbillonnaire est intermédiaire entre l'é- tat du tourbillon libre et celui du tourbillon de frottement.
Plus le temps de séjour dans le tourbillon est long, plus l'état tourbillonnaire s'éloi- gne du tourbillon libre.
Dans les séparateurs ou épurateurs centrifuges du type tourbil- lonnaire, les pertes par frottement apparaissent avec la plus grande inte sité dans deux régions, près du noyau central comme l'indique l'équation de frottement ci-dessus et près de la paroi où le frottement se produit entre le liquide mobile et la paroi fixe. Cependant, l'écart principal par rapport à l'état de tourbillon libre apparaît près du noyau, à un endroit de faible rayon, où, conformément à l'équation de frottement ci-dessus, les pertes d'énergie dues au frottement liquide sont les plus grandes. Ce- ci tend à remplir avec du liquide de faible énergie la zone du noyau de vide, qui serait normalement maintenue dans un-tourbillon libre.
Bais puis- que le noyau doit être maintenu libre pour l'extraction des gaz, ce liqui- de de faible énergie est drainé vers le bas sous la forme du troisième tourbillon 35, qui descend au centre du dispositif. Ce troisième tourbil- lon, qui se trouve à l'intérieur des autres, est extrêmement avantageux, car il permet d'entraîner la mousse, les bulles et les matières flotta- bles. Si la forme incurvée du cône 16, à la base du dispositif n'est pas essentielle par elle-même pour le tourbillon à trois directions, elle est cependant très avantageuse pour décoller efficacement les impuretés lour- des de la couche stagnante se trouvant le plus près de la paroi dans le courant principal.
Ces impuretés lourdes qui ont été projetées sur la pa- roi, tombent dans des couches à déplacement plus lent, et le cône incurvé est choisi de manière à renvoyer vers le haut le liquide à grande vites- se, mais à laisser passer vers le bas le liquide à vitesse plus faible.
Le liquide éliminé peut être considéré comme suivant un trajet hélicoïdal dans la direction de la sortie 18 des impuretés, sous la forme d'un tour- billon libre, puisque les pertes par frottement dans ce liquide à faible
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vitesse sont relativement réduiteso :En conséquence,l'inclinaison du cône 16, dans une position radiale quelconque, doit être choisie de manière à ne pas renvoyer vers le haut ce liquide à faible vitesse ;
par conséquent, la courbure du c8ne doit être modifiée pour les différents rayons, de ma- nière à compenser à la fois la variation de la force centrifuge pour les différents rayons et l'accélération du liquide conforme au.principe du tourbillon libreo
Pour réaliser dans ces tourbillons une action appropriée sur une suspension liquide, il est nécessaire que le pouvoir de séparation, c'est- à-dire l'aptitude à projeter vers le bas les impuretés fines, soit suffi- sant pour faire précipiter toutes les particules indésirables, mais très peu de la suspension désiréeo Ce pouvoir de séparation des impuretés est proportionnel aux forces de séparation, qui sont elles-mêmes proportion- nelles @
1 ) - au carré de la vitesse d'entrée,
2 à la période pendant laquelle la suspe ion est soumise à ces forces près des parois de la chambre,
3 ) - à la distance que les impuretés doivent parcourir pour être séparées.
Dans le dispositif décrit ci-dessus à trois tourbillons direc- tionnels, on donne à la vitesse d'entrée une valeur aussi élevée que possi- ble, à l'intérieur de certaines limites pratiques, afin de réaliser le pouvoir maximum de séparationo On choisit d'autre part une longue période de traitement du liquide, en adoptant une chambre cylindrique 13 de grande longueur.
On réalise ainsi une possibilité d'obtenir facilement la sépa-- @ ration, et on maintient le liquide descendant sous le forme d'une couche relativement mince disposée contre la paroi, de manière à maintenir à une valeur faible la distance que les impuretés doivent parcourir pour ar- river à la paroio
Le pouvoir de séparation des impuretés dépend non seulement de l'efficacité du dispositif pour déplacer les impuretés vers les parties extérieures extrêmes des tourbillons, près de la paroi, maie aussi du ren- dement avec lequel les impuretés sont séparées ensuite du courant princi palo Près de la partie inférieure du séparateur, les impuretés peuvent être caractérisées de deux manières;
d'abord, elles se trouvent près de la paroi, et ensuite le liquide qui les contient a perdu la plus grande par- tie de son énergie cinétique initiale. Le cône incurvé représenté à la partie inférieure de la figure 1 et sur la vue à plus grande échelle de la figure 6 utilise ces deux caractéristiques pour séparer efficacement les impuretés du liquide clair. Les forces centrifuges du liquide tourbillon- nant agissent perpendiculairement à l'axe de rotation.
D'autre part, la paroi du cône incurvé ne peut réagir par pression contre le liquide que dans une direction normale à sa surface; par conséquent, quand la colon- ne tourbillonnante de liquide rencontre ce cône, il s'établit une réac- tion qui tend à entraîner le liquide en l'éloignant de l'extrémité infé- rieure ou sommet géométrique du cône. C'est cette réaction, appliquée au courant hélicoïdal par le cône qui renvoie en arrière le liquide propre ou traité et l'entraîne vers le sommet du dispositif.
Cependant, le liqui- de chargé d'impuretés a perdu une si grande-partie de son énergie ciné- tique que cette réaction, qui lui est appliquée, est considérablement plus faible et que ce liquide n'est pas par conséquent renvoyé en arrière, mais tombe au contraire par suite des conditions de pression et en même temps grâce à la pesanteur si le dispositif se trouve dans une position verti- cale, comme sur le dessino Au contraire, si ce liquide était amené vers la sortie dans un véritable cône, et non le long d'un cône à paroi incurvées
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comme sur le dessin, les forces centrifuges augmenteraient à mesure que le liquide se rapprocherait de l'axe de rotation, par suite à la fois d'une augmentation de vitesse (d'après le principe du tourbillon libre)
et d'une diminution du reyon de rotation, jusqu'à un certain point de ce cône à génératrices rectilignes, où les impuretés ne pourraient plus progresser vers le sommet du e8ne et chercheraient une orbite ou retourneraient dans le liquide propre. Bans le cône incurvé, comme on le voit sur la figure 6, l'inclinaison change progressivement avec le diamètre, d'une manière telle que, quand le liquide chargé d'impuretés se rapproche de l'axe, la pente de la paroi se rapproche de la verticale, afin que le liquide ne subis- se pas une réaction suffisamment nette de la part de la paroi pour être refoulé vers le haut, malgré l'augmentation des forces centrifuges aveo la diminution du rayon de rotation, mais tendue an contraire à continuer son mouvement vers le bas et par conséquent vers la sortie.
On peut éta- blir une équation mathématique définissant la courbure qu'un tel c8ne doit avoir pour réaliser une action efficace conformément à ces principes.
Cette équation est la suivante si on exige le frottement @
EMI9.1
h = k2 2g - (-il-2 - ri2) 2g 2
Dans cette formule h est la hauteur entre la partie supérieure du cône incurvé et le point derayon r,
R est le rayon à la partie supérieure, r est le rayon en un point de la génératrice oourbe, g est l'accélérateur de la pesanteur, k est la constante de l'équation du tourbillon libre et peut être calculé par la formule k = V ,dans laquelle :
R
R est le rayon à la partie supérieure du cône et V est égal à la vitesse tangentielle (près de la paroi) en-dessous de laquelle le liquide à la partie supérieure du c8ne suit la paroi incurvée de celui-ci vers le bas et vers la sortie, cette vitesse étant inférieure à celle pour laquel- le le liquide est refoulé en arrière et constitue la "matière acceptée" s'écoulant vers le sommet du dispositif.
Dans un mode de réalisation préféré du dispositif représenté sur la figure 1, la vitesse d'entrée est égale à 15 m. par sec mais le li- quide voisin de la paroi possède des vitesses beaucoup plus faibles qui dépendent de la proximité de la paroi, et une très petite quantité de li- quide en contact avec la paroi peut n'avoir aucune vitesse de rotation.
Cette couche relativement stagnante ou à . vitesse faible devient pro- gressivement plus épaisse à mesure qu'on. descend le long de la paroi, et c'est dans cette couche que les impuretés sont chassées à partir du liqui- de plus central à grande vitesse. Le cône 16 agit de manière à produire une séparation basée sur la vitesse ; liquide se déplaçant à une vites- se inférieure à V 04 par sec.dans un cas typique) tombe le long de la paroi incurvée du cône, tandis que le liquide possédant une vitesse supé- rieure à V est renvoyé en arrière sous la forme de tourbillon montant.
Il faut remarquer que le liquide qui est juste capable de rebrousser chemin constitue probablement la partie la plus sale du "liquide accepté" et que, se trouvant tout à fait à l'intérieur du tourbillon montant, il a le plus de chance d'être soumis à un effet de flottage d'écume, et d'être ensui- te rejeté dans la matière d'élimination de l'écume, qui retombe dans le courant intérieur 35 dirigé vers le bas.
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La figure 6 représente les dimensions réelles qu'un cane incurvé 16 doit avoir, en supposant que son extrémité supérieure ait un diamètre intérieur de 25,4 cm et que la vitesse critique de séparation V soit éga- le à 0m 40 par seconde. Les autres parties représentées sur les figures 1 à 7 peuvent avoir toutes des dimensions proportionnelles à celles indi- quées sur la figure 6 Il est bien entendu que le dispositif peut compor- ter une chambre de séparation, soit considérablement plus petite, soit, si on le préfère, considérablement plus grande que celle ayant les dimen- sions indiquées, pourvu que les dimensions des parties de la tête et des parties du cône soient diminuées ou augmentées dans des proportions cor- respondanteso
En ce qui concerne les principes impliquant le maintien du noyau de gaz,
il faut noter que la vitesse élevée d'entrée, qui est réalisée par l'ajutage convergent de l'entrée,a tendance à maintenir le liquide par la force centrifuge contre la paroi de la chambre 13 en créant un vide vers le centre. Cependant, avec l'action marquée de frottement qui se produit dans le liquide, en particulier au voisinag- de la région du noyau, une grande partie de cette énergie cinétique est perdue jusqu'au moment où cette région du noyau est remplie d'une quantité plus ou moins grande de liquide stagnant, si on ne prend pas des dispositions spéciales pour éviter ceci.
D'autre part, la sortie, à la base du cône, draine con- tinuellement le liquide qui aurait tendance autrement à s'accumuler et à remplie la région du noyauo Ainsi, le noyau peut être facilement réalisé, grâce à la vitesse élevée du tourbillon et aux forces centrifuges résul- tantes, et cet espace est maintenu vide du fait qu'il est continuellement drainé, l'action de drainage entraînant à l'extérieur l'écume et les ma- tières flottables.
Dans la pompe alimentant un séparateur avec la suspension à trai- ter, comme on l'a expliqué, il y a généralement une compression suffisan- te du liquide pour comprimer les bulles de gaz et en dissoudre au moins une grande partie dans le liquide. Ainsi, il est- généralement insuffisant d'utiliser ce dispositif avec une sortie à la pression atmosphérique, si on veut réaliser une séparation efficace du gaz, puisque dans ce cas, seu- les les bulles non dissoutes sont en général éliminées, tandis qu'une fai- ble quantité seulement du gaz refoulé dans la solution, par l'action de la pompe est séparée.
Les bulles de gaz peuvent être facilement éliminées par la force centrifuge, mais les gaz dissous dans la solution exigent un temps considérable pour émerger; cependant, on peut augmenter considéra- blement la vitesse avec laquelle ces gaz s'échappent de la solution, en diminuant la pression hydraulique jusqu'à une valeur considérablement in- férieure à la pression atmosphérique.
Les gaz deviennent alors fortement supersaturés et la vitesse de dégagement des bulles est considérablement augmentée. En arrivant au noyau des tourbillons, les bulles tendent à en- traîner avec elles toutes les particules, qui adhèrent naturellement aux bulleso Le gaz ne peut pas quitter le dispositif avec la matière propre, au sommet du dispositif, grâce à la disposition prévue dans la tête, dis- position qui permet au "liquide accepté" se trouvant tout à fait à l'ex- térieur de fuir en dehors du noyau, mais sans aspirer le liquide en dehors de la région immédiatement adjacente au noyau. Ainsi, les- gaz et les ma- tières qui ont été amenés dans le noyau ou près du noyau sont évacués par l'effet d'échappement de la matière éliminée et par le vide régnant à la base du dispositif.
On peut concevoir des dispositifs fonctionnant con- formément aux principes précédents, pour différentes pressions d'entrée et différentes vitesses d'écoulement. Les dispositifs préférés actuelle- ment peuvent fonctionner dans les conditions suivantes g
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EMI11.1
<tb> Condition <SEP> de <SEP> fonction- <SEP> Barge <SEP> de
<tb>
<tb> nement <SEP> recommandée <SEP> fonctionnement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pression <SEP> d'entrée <SEP> 2,1 <SEP> Kg/cm2 <SEP> 1,4 <SEP> à <SEP> 2,8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> vide <SEP> à <SEP> la <SEP> sortie <SEP> de <SEP> la <SEP> 48 <SEP> cm <SEP> de <SEP> mercure <SEP> 38 <SEP> à <SEP> 58
<tb>
<tb>
<tb> "matière <SEP> acceptée"
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vide <SEP> du <SEP> noyau <SEP> 71 <SEP> cm <SEP> de <SEP> mercure <SEP> 51 <SEP> à <SEP> 73,
5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vide <SEP> à <SEP> la <SEP> sortie <SEP> de <SEP> la <SEP> 68,5 <SEP> cm <SEP> de <SEP> 51 <SEP> à <SEP> 73,5
<tb>
<tb>
<tb> matière <SEP> éliminée <SEP> mercure
<tb>
Les conditions d'écoulement correspondant aux conditions recom- mandées de fonctionnement ci-dessus sont les suivantes Débit à l'entrée 755 l./min. débit de la "matière acceptée" 680 l./min. débit de la matière éliminée 75e5 10/mine
Si on utilise les dispositifs sans raccord de vide, les condi- tions d'emploi peuvent être les suivantes
EMI11.2
<tb> Condition <SEP> de <SEP> fonction- <SEP> Marge <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> nement <SEP> recommandée <SEP> fonctionnement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pression <SEP> d'entrée <SEP> 2,8 <SEP> kg/cm2 <SEP> 1,4 <SEP> à <SEP> 3,
<SEP> 5 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> pression <SEP> de <SEP> sortie <SEP> 0,105 <SEP> kg/cm2 <SEP> 0,07 <SEP> à <SEP> 0,35
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> vide <SEP> du <SEP> noyau <SEP> 2,54 <SEP> cm <SEP> de <SEP> mercure <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> vide <SEP> à <SEP> la <SEP> sortie <SEP> de <SEP> la <SEP> 0 <SEP> 0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> matière <SEP> éliminée
<tb>
Dans les conditions recommandées précédentes du fonctionnement, les conditions de débit sont les suivantes Débit d'entrée 755 1/min. débit de la "matière acceptée" 700 l./min.
débit de la matière éliminée 56,5 1/min
On a décrit ici certains modes de réalisation particuliers de l'invention, afin d'expliquer celle-ci, mais il est évident que les techni- oiens imagineront facilement des modifications variées de ces modes de réa- lisation, tout en restant dans le domaine de l'invention.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present addition relates to permeated methods and devices for separating unwanted gases and particles from liquid and liquid mixtures; it is intended in particular, among other possible applications, for the treatment of pulp suspensions.
Vortex type separators have been used extensively for some time to remove unwanted heavy particles, such as impurities, from liquids or from liquid suspensions, such as pulp suspensions. In certain patent applications already filed by applicants, vortex type separators have been described in which the liquid is introduced at a high speed and under the conditions desired to maintain a stabilized core of gas at low pressure at. the interior of the vortices of the device;
this is the case with patent applications filed by applicants in the United States on October 11, 1952 under No. Ser. 314 * 248, December 6, 1952 under the Ne Ser. 324,561 and 324,562, and on January 13, 1953 under N Ser. 331.061 and 331.062. Thanks to the arrangements described in these patent applications, the gases dissolved in the liquid to be treated, as well as those which are adsorbed by the solid particles of the liquid suspension, can be extracted, at the same time as bubbles, if the liquid. exiting the device is discharged under vacuum and if the vacuum core is maintained at a pressure significantly lower than atmospheric pressure.
In order to extract the gases from the solution in such a device, it is essential to maintain the liquid at a low pressure for a time sufficient for the gases to escape from the solution in the form of bubbles and then be entrained towards. the vacuum core, The bubbles formed in the liquid escape rapidly towards the vacuum core under the effect of centrifugal force and tend to carry with them the adherent particles such as fatty or oily materials, or particles which - shells whose surface does not get wet very well under the action of the liquid present.
The present addition relates to methods and devices for extracting, in a more efficient manner, heavy particles such as impurities, as well as gas bubbles, dissolved and adsorbed gases, from liquid suspensions, together with unwanted oily matter, liable to float.
The preferred embodiment of the invention consists of an improved vortex type separator in which the liquid or suspension is run. treat, first in the form of an outer vortex in a first directin and over a fairly large distance, then in the reverse direction
In the region of the change in direction of this current, heavy particles, such as impurities, were largely thrown out by centrifugal force. the periphery of the vortex, and a small amount of the current, which will be called "material removed", is therefore discharged in this region.
The remainder of the current, after changing direction, forms an inner vortex, and the treated and desired suspension is withdrawn from the outer part of this vortex, after having traveled a certain distance, while a small part of the vortex containing unwanted particles and entrained bubbles change direction again to form a third vortex, which is further inside and surrounds a gas core, The material of this vortex is finally extracted at the first point of change of direction, at the same time as the removed material mentioned above, so as to maintain at sub-atmospheric pressure the gas core contained in the vortices and the liquid adjacent to this core.
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This improved method involving the use of a "three-way" vortex and the device for carrying it out have been found to be more economical, more efficient and safer than all the old devices, for extracting pulp suspensions not only. heavy and unwanted particles of impurities and all unwanted gases, but also some unwanted and buoyant matter, such as lumps of tar, carborundum and bark. In addition, the necessary equipment can be easily installed in the generally limited space which hitherto had to be available for vortex separators separating only impurities.
more particular characteristics and advantages of the invention will become apparent from the detailed description which will follow and with reference to the appended drawing. This description, given solely by way of example, relates to preferred embodiments of the invention. The object of this is the characteristics, arrangements, combinations of parts and operations, as represented and described here.
On the drawing
Figure 1 is a vertical section of a vortex separator constituting a preferred embodiment of the present addition; Figure 2 is an elevation of the top of Figure 1; Figure 3 is a vertical section of the upper part of Figure 1, the sectional plane being perpendicular to that of Figure 1; Figures 4 and 5 are horizontal sections taken respectively along lines 4-4 and 5-5 of Figure 2; Figure 6 is a large-scale vertical section of one of the lower parts of the device of Figure 1; Figure 7 is a vertical section of a variant of the upper parts of the separator;
Figure 8 is a schematic view showing a preferred means, among other possible means, for connecting a number of separators similar to that of Figure 1 or Figure 7, to pumping equipment and to a separator secondary vortex type, in order to achieve efficient operation;
FIG. 9 is a longitudinal section of a variant of the system for discharging the material removed by the separator.
If we now consider Figures 1 to 5 and the detailed operation of the device shown in these figures, it can be seen that the liquid or the liquid suspension to be treated penetrates tangentially into a nozzle 10, the shape of which is chosen so providing a stream having a flattened cross section as seen at 11 (Fig. 3 The incoming stream is guided around the inlet region by a single-turn spiral guide 12;
this current is preferably throttled so that more than 50% of its pressure energy is converted into kinetic energy and the liquid forms in a cylinder chamber 13 a downward helical vortex around the inner wall of the chamber , leaving in the center and along the axis of the chamber a gas space 140
When the helical current has made about thirty or more turns, as shown in the series of arrows 15, the liquid meets
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a cone 16 whose walls are curved inwards.
This cone may include at its upper end an appropriate flange which allows it to be assembled at 17 on the lower end of the chamber 13; the shape of the inner surface of this cone is such that it sends back the part of the treated liquid, which, passing at a certain distance from the wall of the chamber 13, has lost very little energy by friction , but not the liquid which has passed near the wall surfaces of the chamber and which consequently has lost a significant part of its energy by friction against the walls. This latter liquid therefore descends at the same time as the heavy impurities, which have been projected against the walls; it passes through the curved cone and exits at the base thereof through a discharge port 18, in the form of a stream of annular section.
To obtain this result, the curvature of the inner surface of the o8ne 16 is given, as will be explained more fully later, a value such that the diameter of the cone decreases rapidly in its upper part going downwards. , but that it gradually decreases less and less quickly in its lower part, going downwards.
The liquid treated and returned upwards by the inclined surfaces of the cone constitutes a helical current or vortex 20, which is located inside the descending vortex; the latter completely surrounds the stream 20, which extends as far as an upper outlet orifice provided in a device 21. The latter comprises an annular structure comprising an outer wall 22, around which the end vortex circulates. trée 15, and an inner wall 23 constituting a cylindrical capacity which receives the rising vortex 20.
The lower ends of the walls
22, 23 may be joined in a sealed manner by an annulus plate 24 having a central opening 25 through which the ascending vortex 20 passes; the path thereof is separated by the plate 24 from the greater part of the descending vortex; this separation can be further improved by providing on the cylindrical wall 22 a projecting portion 26 directed downwards.
As can be seen in FIG. 1, the central opening of the device 21 is wide enough to easily receive the liquid flowing upwards, as well as the central gas core 14. the upper end of the vortex. 20 encounters a conical and relatively flattened boss 27 provided on the underside of an upper plate 28; this conical bump with a rounded top is formed and disposed so as to provide an annular slot 29, through which the treated liquid can pass to arrive in a chamber 30.
As can be seen in FIG. 4, the shape of the chamber 30, with its outer wall 31 traced for example following an equiangled spiral, is such that the liquid swirls, gradually moving away from the center with a progressively section. increasing and then exits through a tangential exit orifice 32. By passing through chamber 30 to exit through orifice 32, the treated liquid or the accepted strain "has a significant portion of its converted kinetic energy again. into energy of pressure, thus, one can, in certain cases and if desired, exchange the material with a positive pressure, while however maintaining a core of vacuum in the device.
When the liquid of the rising vortex 20 meets the conical surface 27 with rounded top, the interior parts of this vortex, as well as any bubbles and foam, change direction and back down, forming a helical flow. and interior or third vortex designated in the drawing by the geometric helix 35.
This interior vortex 35 exits at the base of the separator through opening 18, inside the annular stream, the removed material containing impurities. The removed and swirling liquid is discharged with the
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gas through a connector 36, the shape of which preferably allows the stream to expand by entraining the gas and maintaining a sub-atmospheric pressure in the core 14 as a result of the resulting exhaust effect.
FIG. 7 represents a variant of the head or upper part of the device of FIG. 1; however, the arrangement of Figure 1 is believed to be preferable. In the embodiment of Figure 7 the material to be treated enters tangentially into the cylindrical chamber 13 'through an inlet nozzle 10. The vortices occurring at 15 20 and 35' are analogous to those previously described; however, in Figure 7, the "accepted material", instead of exiting through a slit, as at 29 in Figure 1, or through perforations provided in an upper, cylindrical extension 40 of the device 21 '.
The descending and extreme interior vortex is formed by the impact of the ascending vortex against a plate 41 or an equivalent member provided in the upper part of the device. The perforated cylinder 40 is in effect a coarse mesh screen, which allows the passage of pulp particles, but which stops unwanted coarse particles, gas bubbles and foam, which may possibly be carried upwardly to the surface. to the plate 41, and which then return downwards to be discharged with the material removed.
The 'accepted material' enters a chamber 42 and then escapes through an outlet nozzle 430 The entire head of Figure 7 can be releasably attached by a flange 44 to a cylinder 13. Likewise, the head of the device of Figure 1 may be assembled in a removable manner by means of a flange 44 suitably bolted or otherwise tightened, so that one head can be replaced by another or the same. remove for cleaning or repair The cone 16 of the base can also be attached in a removable manner.
Pressure gauges 45, 45 can be plugged into the upper end of the vacuum cores to measure the subatmospheric pressure maintained therein.
The various dividers described here are shown as being mounted in the vertical position; however, in some cases separators can be mounted at different angles to the position shown in the drawing, especially if the vortex speed is high enough so that the effect of gravity is not too great. on those. Therefore, the terms "upper", "down", and "lower" are used here for the convenience of defining relative locations and directions in devices, but should not be construed as limiting the application. devices in the vertical positions shown.
The devices described above can be used without being connected to a vacuum source; in this case the discharge pressure through port 36 is positive, and unwanted solid particles, gas bubbles and the like. foam can then be discharged at atmospheric pressure; however, under these conditions the device can remove very little dissolved gas from the liquid to be treated.
However, it is generally desired to extract the dissolved gases, as well as the gases adsorbed on the particles or fibers in the suspension; in this case it is necessary to mount a vacuum connection at the lower end of the device o As can be seen for example in figure 8, three separators can have their lower ends discharging into a tank 46 through pipes 47 the space inside the upper part of this tank being connected to a vacuum pump 48 The liquid mixture of the removed material being in the lower part
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of the reservoir 46 can be extracted by a pump 49 through a pipe
50,
so as to discharge this material through a pipe 51 into a secondary purifier or separator 52, the construction of which may be the same as that shown in FIG. 1. White water is preferably admitted through a connector 53 provided with 'a tap, in order to dilute the removed material, before it goes to the secondary pump.
By virtue of this discharge carried out under vacuum in a tank 46 from the separators, in order to separate the gases discharged from the liquid material discharged, it is possible to separate in the main separators as much dissolved and adsorbed gas as is required. desires, along with impurities, bubbles and foam.
The secondary separator 52 can be used with a vacuum fitting at its lower end, like the main separators, if desired; it is also possible, if preferred, to discharge the secondary separator at atmospheric pressure, relying on the exhaust effect of the divergent discharge connection 36 'to maintain a certain sub-atmospheric pressure in the secondary separator at this pressure then allows bubbles, foam and impurities to be discharged through connector 47 'to pass them to waste or to another treatment device.
Liquid material accepted and exiting the secondary separator is returned through line 54 to inlet fitting 55 of a pump 56 which delivers untreated liquid through line 57 into inlet nozzles 10 of the separators. primaries. The accepted and treated liquid leaving these separators can be discharged through a line 58 and a primary outlet pump 59, to be directed to the point of use of the treated material, for example to a paper machine in the case of suspension of pulp to paper.
All of the main pipe connections mentioned above can be fitted with valves to regulate the flow rate, and gauges to indicate the pressure.
FIG. 9 shows a variant of the arrangements making it possible to discharge the material eliminated outside the separator. The structure is the same at the upper part of this figure as that of the separator of Figure 1, with the difference, however, that the inner end of the cone 16 'ends at 60. The cone 16' is disposed in a chamber. cylindrical 61 which is assembled on the cone by a flange 62. The chamber 61 has a tangential and converging inlet connection, through which is introduced white water or any water to dilute the removed material.
The object of this arrangement is to increase the exhaust effect occurring downwards through the outlet of the cone 16 of simultaneously injecting through the connector 63 the liquid necessary to dilute the material removed before it can be removed. 'it does not enter a secondary separator, and also to reduce the losses of fine and acoeptableso This arrangement causes in the chamber 61 a vortex of liquid mixture directed downward, so that the core 14 at low pressure is extends downward through this chamber, and a low pressure is maintained in the liquid passing through opening 60, applying sufficient vacuum to maintain sub-atmospheric pressure in and around the core in the chamber 13.
The diluted and impurity-laden material continues to descend through a cone 64, then preferably through a fitting 65, which allows the current to expand and thus helps to increase the exhaust effect.
Operation of the device, including chamber 61, can be understood by considering the following facts.
If left to stand for a short time a dispersion
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With large, rapidly settling particles which are mixed with fine, slower moving particles, both types settle, but the deposit naturally includes mostly faster settling particles.
However the fine particles, which were closer to the bottom, settle to some extent and appear in the final repository due to the relatively short distance that these fine particles have to travel. The removed material comprising the deposit therefore contains, in the case for example of a pulp pulp dispersion, a certain quantity of desirable fine particles together with unwanted heavy particles o Secondary separators, in which the deposit is diluted, are therefore necessary to recover the material fine and desirable, which would otherwise be lost o On the other hand, if the same suspended mixture is added to the upper part of a mass of clear liquid,
further separation is possible and the large particles can almost all fall through the clear liquid to the bottom, before an appreciable amount of the small particles can reach it The perfection of separation is still larger, if clear water is cloned upwards in counter-current to the descent of the suspension o Thanks to the rising current, thus prevents fines from falling, but heavier materials or larger, rapidly depositing deposits settle in spite of the rising current and are obtained as a deposit completely free of fines.
It can thus be seen that, in the device of FIG. 9, the material eliminated descending through the cone 16 passes inside a vortex of clear water or of white water entering the device through the connection 63o. heavier ones are thus easily separated while passing towards the walls of the chamber 61 and can settle in the cone 64, while the fine and acceptable pulp does not settle quickly, but is returned back towards the upper chamber by the. curved cone 64
In order to achieve the best efficiency of the device, with separators of different dimensions and under variable operating conditions, the theory of the operation of the different parts of the separators described above will now be explained. First,
with regard to the path followed by the vortices in the separator, it can be noted that, if there were no friction losses, the liquid would flow according to this exercise, called a free vortex, 01 is to say a vortex in which the energy contained in a unit of liquid would be the same in different radial positions Since the rotation of the liquid in the center of a vortex tends to compress the liquid against the wall, it a conversion of pressure energy into kinetic energy occurs in a unit of liquid approaching the axis of the vortex, until 1 is eventually called a state in which all of the energy has been transformed into kinetic energy ,;
beyond this point of total transformation into kinetic energy, there is no longer any liquid, but simply a core of vacuum, that is to say a core of gas The equation of such a flow is the following V = k / r sideréo V being the speed, k is constant, and r the radius at the point considered
However, such a free vortex is rarely seen in common practice, except in a very short device in which the friction losses are negligible or the speeds very low. Instead of having a free vortex, the liquid swirling with a smaller radius loses energy by friction when crossing the outer liquid of larger radius and this for two reasons;
first, this ray liquid
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smaller, for the same speed, must travel a smaller distance during one revolution and therefore exceeds the other parts of the larger pencil fluid; on the other hand, according to the principle of free vortex, the internal liquid moves faster. The losses F produced by such friction satisfy the following equation:
EMI7.1
= 4 1't 'r
In this equation, k is a constant,
1 is the length of the swirling liquid column, u is the viscosity, r is the radius at the point considered.
We can see, from the previous equation, that the liquid located near the middle of the vortex, that is to say at a point of smaller radius, loses its energy very quickly. Possibly, after a prolonged loss of friction due to the displacement of the vortex current, the friction of one layer of liquid protruding from another layer is no longer an important factor and the flow equation, for the speed. tess at different radii, then approaches the following equation
V = kr V being the speed at a point, k being a constant, r being the radius at the point considered
In practice, the vortex state is intermediate between the state of the free vortex and that of the friction vortex.
The longer the residence time in the vortex, the further the vortex state is from the free vortex.
In centrifugal separators or scrubbers of the vortex type, the frictional losses occur with the greatest interest in two regions, near the central core as indicated by the friction equation above and near the wall where the friction occurs between the moving liquid and the fixed wall. However, the main deviation from the free vortex state appears near the core, at a place of small radius, where, according to the friction equation above, the energy losses due to liquid friction are the biggest. This tends to fill the area of the vacuum core with low energy liquid, which would normally be kept in a free vortex.
Since the core must be kept free for gas extraction, this low energy liquid is drained downward in the form of the third vortex 35, which descends down the center of the device. This third vortex, which is inside the others, is extremely advantageous because it allows foam, bubbles and floatables to be carried away. If the curved shape of the cone 16 at the base of the device is not essential by itself for the three-direction vortex, it is however very advantageous for effectively removing the heavy impurities from the stagnant layer lying the most. near the wall in the main stream.
These heavy impurities which have been thrown on the wall fall in slower moving layers, and the curved cone is chosen so as to return the liquid upwards at high speed, but to let pass downwards. liquid at lower speed.
The removed liquid can be regarded as following a helical path in the direction of the impurity outlet 18, in the form of a free vortex, since the frictional losses in this liquid at low
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speed are relatively reduced: Consequently, the inclination of the cone 16, in any radial position, must be chosen so as not to send this liquid upwards at low speed;
therefore, the curvature of the cone must be altered for the different radii, so as to compensate both for the variation in the centrifugal force for the different radii and the acceleration of the liquid according to the principle of free vortex.
In order to achieve an appropriate action on a liquid suspension in these vortices, it is necessary that the separating power, that is to say the ability to project fine impurities downwards, be sufficient to precipitate all the particles. unwanted particles, but very little of the desired suspension o This impurity separation power is proportional to the separation forces, which are themselves proportional @
1) - squared of the input speed,
2 at the period during which the suspe ion is subjected to these forces near the walls of the chamber,
3) - the distance that the impurities must travel to be separated.
In the device described above with three directional vortices, the inlet speed is set as high as possible, within certain practical limits, in order to achieve the maximum separation power. on the other hand a long period of treatment of the liquid, by adopting a cylindrical chamber 13 of great length.
This achieves a possibility of easily obtaining the separation, and the descending liquid is maintained in the form of a relatively thin layer disposed against the wall, so as to keep the distance that the impurities must be low. browse to get to the paroio
The power of separation of the impurities depends not only on the efficiency of the device to move the impurities towards the extreme outer parts of the vortices, close to the wall, but also on the efficiency with which the impurities are then separated from the main stream. from the bottom of the separator, the impurities can be characterized in two ways;
first, they are found near the wall, and then the liquid that contains them has lost most of its initial kinetic energy. The curved cone shown in the lower part of Figure 1 and in the enlarged view of Figure 6 uses both of these features to effectively separate impurities from the clear liquid. The centrifugal forces of the swirling liquid act perpendicular to the axis of rotation.
On the other hand, the wall of the curved cone can react by pressure against the liquid only in a direction normal to its surface; therefore, when the swirling column of liquid encounters this cone, a reaction occurs which tends to entrain the liquid away from the lower end or geometric apex of the cone. It is this reaction, applied to the helical current by the cone, which sends back the clean or treated liquid and carries it towards the top of the device.
However, the liquid laden with impurities has lost so much of its kinetic energy that this reaction, which is applied to it, is considerably weaker and this liquid is therefore not sent back, but on the contrary falls as a result of the pressure conditions and at the same time thanks to gravity if the device is in a vertical position, as on the drawing On the contrary, if this liquid was brought towards the outlet in a real cone, and not along a cone with a curved wall
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as in the drawing, the centrifugal forces would increase as the liquid approaches the axis of rotation, as a result of both an increase in speed (according to the free vortex principle)
and a decrease in the reyon of rotation, up to a certain point of this cone with rectilinear generatrices, where the impurities could not progress any more towards the top of the e8ne and would seek an orbit or would return in the clean liquid. In the curved cone, as seen in figure 6, the inclination gradually changes with the diameter, in such a way that, when the liquid laden with impurities approaches the axis, the slope of the wall decreases. moves closer to the vertical, so that the liquid does not undergo a sufficiently clear reaction from the wall to be forced upwards, despite the increase in centrifugal forces with the decrease in the radius of rotation, but strained on the contrary to continue its downward movement and consequently towards the exit.
A mathematical equation can be established defining the curvature that such a cone must have in order to perform an effective action in accordance with these principles.
This equation is the following if one requires the friction @
EMI9.1
h = k2 2g - (-il-2 - ri2) 2g 2
In this formula h is the height between the upper part of the curved cone and the point of radius r,
R is the radius at the top, r is the radius at a point on the curve generator, g is the accelerator of gravity, k is the constant of the free vortex equation and can be calculated by the formula k = V, in which:
R
R is the radius at the top of the cone and V is equal to the tangential velocity (near the wall) below which the liquid at the top of the cone follows the curved wall of it down and out. the outlet, this speed being lower than that at which the liquid is forced back and constitutes the "accepted material" flowing towards the top of the device.
In a preferred embodiment of the device shown in Figure 1, the input speed is equal to 15 m. per sec, but the liquid near the wall has much lower velocities which depend on the proximity to the wall, and a very small amount of liquid in contact with the wall may have no rotational speed.
This relatively stagnant layer or at. low speed gradually becomes thicker as one. runs down the wall, and it is in this layer that impurities are driven out from the more central liquid at high speed. The cone 16 acts to produce a separation based on speed; liquid moving at a velocity of less than V 04 per sec. in a typical case) falls along the curved wall of the cone, while the liquid having a velocity greater than V is returned back as a ascending vortex.
It should be noted that the liquid which is just able to turn back is probably the dirtiest part of the "accepted liquid" and that, being completely inside the rising vortex, it is most likely to be. subject to a scum float effect, and then to be discharged into the scum removing material, which falls back into the downward internal stream 35.
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Figure 6 shows the actual dimensions that a curved cane 16 should have, assuming that its upper end has an inside diameter of 25.4 cm and that the critical separation speed V is 0m40 per second. The other parts shown in Figures 1 to 7 may all have dimensions proportional to those shown in Figure 6 It is understood that the device may include a separation chamber, either considerably smaller or, if one preferred, considerably larger than that having the dimensions indicated, provided that the dimensions of the parts of the head and the parts of the cone are decreased or increased in corresponding proportions.
With regard to the principles involving the maintenance of the gas core,
it should be noted that the high inlet velocity, which is achieved by the converging nozzle of the inlet, tends to hold the liquid by centrifugal force against the wall of chamber 13 creating a vacuum towards the center. However, with the marked frictional action which occurs in the liquid, especially in the vicinity of the nucleus region, much of this kinetic energy is lost until such time as this nucleus region is filled with a more or less amount of stagnant liquid, if special arrangements are not made to avoid this.
On the other hand, the outlet, at the base of the cone, continuously drains the liquid which would otherwise tend to accumulate and fill the region of the core. Thus, the core can be easily produced, thanks to the high speed of the vortex and the resulting centrifugal forces, and this space is kept empty because it is continually drained, the draining action driving the scum and floatables out.
In the pump supplying a separator with the slurry to be treated, as explained, there is generally sufficient compression of the liquid to compress the gas bubbles and dissolve at least a large part of them in the liquid. Thus, it is generally insufficient to use this device with an outlet at atmospheric pressure, if an efficient separation of the gas is to be achieved, since in this case only the undissolved bubbles are generally eliminated, while only a small amount of the gas forced into the solution by the action of the pump is separated.
Gas bubbles can be easily removed by centrifugal force, but gases dissolved in solution require considerable time to emerge; however, the rate at which these gases escape from solution can be greatly increased by decreasing the hydraulic pressure to a value considerably below atmospheric pressure.
The gases then become strongly supersaturated and the rate of bubble release is considerably increased. Arriving at the core of the vortices, the bubbles tend to carry with them all the particles, which naturally adhere to the bubbles o The gas cannot leave the device with the clean material, at the top of the device, thanks to the arrangement provided in the head, a position which allows the "accepted liquid" lying well outside to leak out of the nucleus, but without sucking the liquid out of the region immediately adjacent to the nucleus. Thus, the gases and the materials which have been brought into the core or near the core are evacuated by the exhaust effect of the material removed and by the vacuum prevailing at the base of the device.
Devices can be designed to operate in accordance with the foregoing principles, for different inlet pressures and different flow rates. Presently preferred devices can operate under the following conditions g
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EMI11.1
<tb> Condition <SEP> of <SEP> function- <SEP> Barge <SEP> of
<tb>
<tb> nement <SEP> recommended <SEP> operation
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Inlet pressure <SEP> <SEP> 2.1 <SEP> Kg / cm2 <SEP> 1.4 <SEP> to <SEP> 2.8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> empty <SEP> to <SEP> the <SEP> exit <SEP> from <SEP> the <SEP> 48 <SEP> cm <SEP> from <SEP> mercury <SEP> 38 <SEP> to <SEP > 58
<tb>
<tb>
<tb> "subject <SEP> accepted"
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Empty <SEP> from <SEP> core <SEP> 71 <SEP> cm <SEP> from <SEP> mercury <SEP> 51 <SEP> to <SEP> 73,
5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Empty <SEP> to <SEP> the <SEP> exit <SEP> from <SEP> the <SEP> 68.5 <SEP> cm <SEP> from <SEP> 51 <SEP> to <SEP> 73 , 5
<tb>
<tb>
<tb> material <SEP> eliminated <SEP> mercury
<tb>
The flow conditions corresponding to the recommended operating conditions above are as follows. Inlet flow rate 755 l./min. flow rate of "accepted material" 680 l./min. flow rate of material removed 75e5 10 / mine
If devices without a vacuum connection are used, the conditions of use may be as follows:
EMI11.2
<tb> Condition <SEP> of <SEP> function- <SEP> Margin <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb> nement <SEP> recommended <SEP> operation
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Inlet pressure <SEP> <SEP> 2,8 <SEP> kg / cm2 <SEP> 1.4 <SEP> to <SEP> 3,
<SEP> 5 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> pressure <SEP> of <SEP> outlet <SEP> 0.105 <SEP> kg / cm2 <SEP> 0.07 <SEP> to <SEP> 0.35
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> empty <SEP> from <SEP> core <SEP> 2.54 <SEP> cm <SEP> from <SEP> mercury <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> empty <SEP> to <SEP> the <SEP> exit <SEP> from <SEP> the <SEP> 0 <SEP> 0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> material <SEP> eliminated
<tb>
Under the above recommended operating conditions, the flow conditions are as follows Inlet flow 755 1 / min. flow rate of "accepted material" 700 l./min.
flow rate of the material removed 56.5 1 / min
Certain particular embodiments of the invention have been described here in order to explain the same, but it is obvious that those skilled in the art will easily imagine various modifications of these embodiments, while remaining within the scope of the art. of the invention.
CLAIMS.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.