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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.
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