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Traitement de matières solides particulaires.
La présente invention concerne un appareil et un procède perfectionnés pour broyer des matières solides particulaires dans des liquides. Par "broyage" on entend ici tant le concassage de la matière solide pour diminuer sa granulométrie que la dispersion de cette matière dans un liquide non accompagné@ d'une diminution de sa granulométrie.
Il est connu de broyer des matières solides patioulaires, en particulier des matières solides finement divisées, par exemple des particules de pigment, dans des liquides dans lesquels ces ma-' tières solides sont agitées en présence d'un liquide et d'un agent de broyage particulaire (qui peut servir d'agent de broyage). Ca procédé est appelé ci-après "broyage au sable".
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Le broyage au sable a été utilisé pour diminuer la granulc- métrie, disperser des matières solides dans les liquides et, dans le cas de pigments, améliorer leur pouvoir colorant. On cas dans lequel le broyage au sable peut être utilisé à trois fins différent tes est celui du pigment de bioxyde de titane pour lequel le procé- dé peut être utilisé pour réduire les particules de pigment et/ou améliorer leur pouvoir colorant et/ou disperser le pigment dans un véhicule pour peinture.
Un inconvénient des procédés existants de broyage au sable est la durée excessive du séjour des matières solides à broyer dans l'appareil pour obtenir un broyage ou une dispersion suffisante pour des matières solides. Ce temps de séjour excessif limite sérieuse- ment la production dans le broyeur au stable.
La présente invention a pour but de procurer un appareil et un procédé perfectionnés pour broyer au sable dans lequel le temps de séjour dans le broyeur, nécessaire pour obtenir le résultat désiré, peut être relativement court.
Cela étant, la présente invention réside dans un appareil de broyage au sable comprenant un récipient et un arbre tournant dans le récipient, l'arbre portant plusieurs agitateurs espacés longitu- dinalement dans le récipient, une chicane au oins étant prévue et s'étendant vers l'intérieur depuis la paroi intérieure du récipient entre les agitateurs de sorte que le bord intérieur de la chicane et les bords extérieurs des agitateurs se chevauchent, la chicane s'étendant sans interruption ou en substance sans interruption tout autour de la paroi intérieure du récipient.
Le récipient est de préférence un récipient pratiquement cylindrique ouvert à une extrémité et comportant un orifice à son extrémité opposée. Dans l'appareil préférée le récipient est ou- vert au-dessus et l'arbre s'étend vers le bas depuis un mécanisme d'entraînement et traverse le dessus ouvert du récipient.
Le liquide et les matières solides à broyer sont alors introduits habituellement sous forme d'un magma dans l'appareil par l'orifice prévu à l'extré- mité inférieure du récipient et sont soutirés par son extrémité
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supérieure, En criante, l'arbre peut étendre vers le haut à tra- vers l'extrémité inférieure formée du récipient par exemple en pas- tant par un joint d'étanchéité tel qu'un joint d'étanchéité mécani- que, Un type de récipient préféré est un récipient comprenant une partie supérieure et une partie inférieure,
la partie inférieure coït- prenant le dit cylindre et ayant une extrémité* ouverte sur laquelle est montée la partie supérieure qui prolonge la partie inférieure et qui comporte des parois N'inclinant vers l'extérieur pour former un tronc de Cent inversa creux. On tel récipient permet à l'agent de broyage particulaire (par exemple des particules ou des perles de silice, de zircon, d'alumine. de bioxyde de titane, de verre ou de céramique) qui se trouve dans la chambre pendant le broyage au sable, de se déposer préférentiellement et de revenir dans la par- tie inférieure du récipient à mesure que le magma solide-liquide broyé monte dans la partie supérieure du récipient.
Dans de tels récipients, le liquide et les solides broyés peuvent être soutirés sous forme d'un magma par le haut de la partie supérieure de l'appa- rail et, comme on l'a fait remarquer plus haut, l'agent de broyage particulaire se dépose sélectivement et revient dans la partie infé- rieure du récipient pour être utilise au broyage de nouvelles quan- tités de pigment*
Si on le désire, la partie supérieure du récipient peut être un prolongement cylindrique de sa partie inférieure, de même diamètre.
Une autre forme de récipient utilisable est un récipient comportant un orifice d'entrée à une extrémité et une lumière de sortie à l'autre extrémité, pourvue d'un treillis ou d'un filtre analogue destiné à retenir sélectivement l'agent de broyage dans le récipient tout en permettant au liquide et aux matières solides broyées de sortir du récipient, Lorsqu'on utilise cette forme de récipient, le pigment et l'agent liquide (par exemple de l'eau), peuvent, si on le désire, être introduits séparément ou sous forme
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d'un magma par l'extrémité supérieure du récipient et être déchar- gés après le broyage par le fond du récipient o le filtre retient gagent de broyage.
Si on le désire, un appareil de broyage dans lequel les matières sont introduites par le haut du récipient peut être utilise en série avec un autre appareil de broyage dans lequel les matières sont introduites par le bas*
L'arbre portant les agitateurs est avantageusement un ar- bre cylindrique susceptible d'être entraîne par un moteur électri- que.
Les agitateurs qui normalement sont rigidement fixés à l'arbre et tournent avec ces derniers peuvent être des disques pleins ou creux d'un diamètre inférieur au diamètre intérieur du récipient dans lequel ils tournent; on peut également utiliser des agitateurs annulaires à rayons, Les agitateurs peuvent porter des saillies sur leurs faces supérieure et/ou inférieure, si on le dé- sire. Ils peuvent avoir une épaisseur de 0,1 à 6 pouces environ (2,5 à 152 mm), de préférence de 1 à 3 pouces (25 à 76 mm).
Le diamètre des agitateurs est de préférence tel qu'il y ait un intervalle d'environ 0,1 à 6 pouces (2,5 à 152 mm), de préféren- ce d'au moins environ 1 pouce (25 mm), entre la paroi intérieure du récipient et la périphérie des agitateurs. Il est préférable que deux agitateurs au moins soient fixés sur l'arbre dans le récipient mais on peut en utiliser un nombre quelconque, par exemple jusqu'à 12. Un écartement commode des agitateurs le long de l'arbre est compris entre 1 et 10 pouces (2,5 et 25 cm) entre deux agitateurs adjacents, quoique cette distance puisse être augmentée ou diminuée, si on le désire.
Il est préférable de placer les chicanes de façon qu'une chicane s'étende entre chaque paire d'agitateurs adjacents. A cet effet, le récipient peut être formé d'éléments sucoesifs et des disques annulaires peuvent être boulonnés ou autrement serrés entre
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les éléments de telle façon que le bord intérieur de chaque disque annulaire s'étende entre les agitateurs,
Dans le cas de grandes machines, on a cependant constate qu'il est avantageux d'utiliser un récipient composé d'éléments ver- ticaux boulonnés ou autrement assembles.
On tel récipient dans le* quel des chicanes sont soudées ou autrement fixées entre les élé- ments rend l'assemblage de l'appareil plus facile puisque les élé- ments verticaux du récipient doivent simplement tire mis en place et fixés de telle façon que les chicanes s'étendent entre les agita* leurs qui sont déjà montés sur l'arbre*
La largeur de la chicane qui s'étend dans le récipient doit être supérieur à la distance séparant la périphérie de l'agitateur de la paroi intérieure du récipient,
ce qui assure que le bord intérieur de la chicane s'étende vers l'intérieur au-delà de la périphérie de l'agitateur dans l'espace situé entre les faces supé- rieure et inférieure de deux agitateurs adjacents* On a constaté qu'il est Intéressant de prévoir des chicanes qui s'étendent vers l'intérieur depuis la paroi intérieure du récipient sur une distance allant environ Jusqu'au double de celle qui sépare la périphérie de l'agitateur de la paroi intérieure du récipient, mais cette distar ce peut être supérieure, si on le désire.
L'éapaiseur des chicanes doit évidemment lift telle qu'un Intervalle existe entre les faces Supérieure et intérieur* d'agita- tours adjacentet les faces supérieure et inférieure de la chicane située entre ces agitateurs pour permettre au magma contenu dans le récipient de passer librement entre les chicanes et les agita* leurs rotatifs dans l'espace séparant deux agitateurs adjacents.
On a constaté qu'il est intéressant de donner auxchicanes une section telle que les angles vifs entre les faces supérieure et inférieure des chicanes et la paroi intérieure du récipient soient ! supprimés et remplacés par une courbe bien arrondie. Des chicanes de cette section empêchent le pigment ou l'agent de broyage solide
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de N'accumuler dans les angles entre les chicanes et la paroi du récipient.
Le bord intérieur des chicanes peut, et on le désire, être @ dentelé ou crénelé. Les dentelures ou créneaux peuvent être formés autrement que dans le plan de la chicane correspondante de manière à affecter le sens d'écoulement de la matière qui franchit le bord de la chicane.
Les agitateurs et les chicanes doivent normalement être en une matière résistant à l'action abrasive des matières solides particulaires dans le récipient. Les agitateurs peuvent être revê- tus ou faits en caoutchouc de polyuréthane et, si on le désire, les chicanes peuvent également être revêtues ou faites de cette matière. Le caoutchouc de polyuréthane résiste à l'abrasion et ne tend pas à codifier la couleur des matières solides broyées. Cette dernière qualité est particulièrement utile lorsque la matière soli- de broyée est un pigment parce qu'il est très souhaitable d'éviter toute modification de couleur du pigment.
L'appareil suivant la présente invention permet d'augmenter l'efficacité du broyage au sable et de diminuer fortement le temps de Séjour nécessaire pour obtenir un résultat donnée On obtient donc une augmentation notable du pouvoir colorant dans le broyage d'un pigment de bioxyde de titane dans de l'eau ou ci.autre. agents liquides ou une dispersion satisfaisante de la matière solide dans un liquide, en un temps beaucoup plus court que celui nécessaire en l'absence de la ou des chicanes de l'invention. L'invention augmente par conséquent notablement la quantité de matière solide qui peut être broyée en un lapa de temps donné dans un appareil de dimensions données, par exemple dans certains cas, le rendement du pigment broyé peut être doublé.
Une raison de cette augmentation d'efficacité semble être qu'en l'absence des chicanes de l'invention, une notable proportion de la matière solide à broyer passe dans le récipient entre la paroi intérieure et la périphérie des agitateurs sans traverser l'espace
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séparant les faces supérieure et inférieure des agitateurs adjacents, où l'action de broyage est maximum. Pour obtenir cette efficacité accrue, il est essentiel que le bord intérieur des chicanes et le bord extérieur des agitateurs chevauchent.
Par conséquente en l'absence des chicanes de l'invention, il faut retenir la matière solide à broyer dans l'appareil pendant un laps de temps suffisant pour assurer que la matière solide qui échappe initçialement à l'ac- tion des agitateurs soit remise en circulation autour du récipient jusqu'à ce qu'elle soit soumise à l'action des agitateurs,
De plus, la proportion de surface statique par rapport aux surfaces en mouvement (c'est-à-dire les agitateurs et l'arbre) augmente dans le récipient lorsqu'il est équipé des chicanes suivant la présente invention, ce qui retarde davantage le mouvement de tour noiement du contenu dans le récipient et augmente par conséquent l'efficacité du broyage.
L'agent de broyage solide peut comprendre des particule* de silice, de zircone, d'alumine, de bioxyde de titane, de verre ou de céramique. La granulométrie de cet agent de broyage peut varier suivant que l'on désire concasser ou disperser la matière solide broyée, mais une granulome trie moyenne dans la gamme d'environ 76 à 3000 microns, de préférence 250 à 2500 microns et en particulier 400 à 600 microns convient d'une manière générale.
Un procédé pour utiliser l'appareil de la présente in- vention sera maintenant décrit*
On introduit une charge d'agent de broyage dans le réel pient et on fait tourner les agitateurs à grande vitesse, par exemple dans la gamme de 2000 à 4000 pieds (600 à 1200 m) par minute, menu- rée à la périphérie de l'agitateur. La matière solide à broyer ainsi qu'un liquide sont alors continuellement Introduits dans le récipient- de préférence par une lumière d'admission ménagée dans le fond du ré- cipient, pourvue d'une valve de retenue à tente flexible par exemple du type Perreaux.
La matière solide et le liquide montent dans le
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récipient au-dessus de la ou des chicanes et sont par conséquent dirigés entre les surfaces supérieure et inférieure des agitateurs adjacents où la matière solide est soumise, en présence d'un agent de broyage, à l'action de broyage induite par les agitateurs rota- tits.
Lorsque le magma pigment-liquide contenant l'agent de broyage arrive dans la partie supérieure du récipient, l'agent de broyage peut être retenu sélectivement par un filtre qui laisse passer le magma matière solide broyée-liquide ou bien le mélange peut passer dans une zone de décantation, par exemple une partie supérieure du récipient du type en forme de tronc de cane inversé ou un prolonge- ment cylindrique de la partie inférieure du récipient décrit plus haut, dans laquelle l'agent de broyage se dépose d'une manière préfé- rentielle et revient dans la partie inférieure du récipient.
Si on. le désire, de l'eau ou un autre liquide peut être ajouté dans la partie supérieure du récipient pour diluer le magma présent 4 cet en* droit et ainsi faciliter le décantage sélectif de l'agent de broyage@
On peut obtenir les meilleurs résultats lorsque la partie inférieure du récipient, où le broyage a lieu, est remplie d'agent de broyage avant le début des opérations. L'appareil est de préférence rempli, avant l'opération, d'agent de broyage jusqu'au début de la partie supérieure tronconique du récipient, lorsqu'une telle partie supérieure tronconique doit être utilisée. Le fonctionnement des agitateurs peut soulever dans une certaine mesure la masse d'agent de broyage.
Si la matière est un pigment à disperser dans un liquide, le liquide du magma est le liquide dans lequel le pigment doit être dispersé, par exemple un véhicule pour une peinture.
L'invention est illustrée par le destin annexé qui est une coupe verticale d'un appareil de broyage préféré.
Le récipient de l'appareil est formé par une partie infé- rieure cylindrique 1 et une partie supérieure en forme de tronc de cône inversé 2 qui prolonge la partie intérieure 1. La partie infé- rieure 1 a 10 pouces (25 cm) de diamètre et 24 pouces (61 cm) de hau- teur. La partie supérieure 2 a par conséquent également 10 pou-
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ces (25 ce) de diamètre à son extrémité inférieure et 48 pouces (122 ON) de diamètre à son extrémité supérieure 4. Sa hauteur est de 16 pouces (41 cm).
Le récipient est ouvert à sa partie supérieure 4; un oir. fice 5 est prévu à sa partie intérieure et est raccordé à une con- duite d'alimentation 6 pourvue d'une wuve de retenue à fente en caoutchouc 7 du type Perreaux. Une gouttière de trop-plein 8 com- portant une conduite d'évacuation 9 encercle l'extrémité supérieure 4 du récipient*
Un arbre 10 s'étend vers le bas le long de l'axe vertical des parties inférieure et supérieure 1 et 2. L'arbre 10 comporte cinq disques agitateurs 11 montés concentriquement et susceptibles @ de tourner avec l'arbre. Ces disques ont 8 pouces (20 ce) de dia- mètre et 3/4 pouce (1,9 mm) d'épaisseur.
Les disques agitateurs 11 sont écartés de 4 pouces (10 cm) les uns des autres par des entre* toises tubulaires 12 et le disque inférieur 11 est supporté par un écrou 13. La partie de l'arbre 10 située dans la partie supérieure 2 est entourée par un manchon non serré 14 portant quatre ailettes verticale* 15. Les ailettes ne sont pas entraînées en rotation par l'arbre Nais servent à réduire au minimum ou empêcher toute formations de tourbillon dans la partit supérieure 2.
Une chicane ayant la forme d'un disque annulaire 16 s'étend vers l'intérieur depuis la paroi de la partie inférieure 1 entre chaque paire d'agitateurs adjacents 11. Chaque disque annulaire 16 est monté entre deux éléments cylindriques 17 formant la partie infé- rieure 1 et est maintenu en place par des boulons 18 traversant le disque annulaire ainsi que des saillies extérieures 19 des éléments cylindriques. 17.
Chaque disque annulaire 16 a 3/16 de pouce (4,8 mm) d'épaisseur (lorsqu'il est, comme dans ce cas-ci, en acier doux) et s'étend vers l'intérieur sur une distance de 2 pouces (5 cm) depuis la paroi de la partie inférieure 1. (L'épaisseur des disques annulaires peut être supérieure en particulier si ces disques sont faits d'une autre matière, par exemple du polyuréthane),
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Dans le fonctionnement de l'appareil, une charge d'agent de broyage tel que du sable ou des perles de verre est placée dans la partie inférieure du récipient 1 et l'arbre 10 estentrainé en rotation à environ 1400 tours/minute.
Un magma de la matière solide à broyer, par exemple un magma aqueux de pigment de bioxyde de tita- ne, est alors introduit par l'orifice d'alimentation 5. A mesure que le magma monte le long des côtés inclinés de la partie supérieu- re du récipient 2, l'agent de broyage se dépose d'une manière préfé- rentielle et revient dans la partie inférieure du récipient 1. Le magma solide-liquide restant monte par-dessus le bord de la partie supérieure du récipient 4 et se dépose dans la gouttière de trop- plein 8 d'où elle est évacuée par les conduites 9. Si on le désire, de l'eau supplémentaire peut être déversée dans la partie supérieure du récipient 2 pour contribuer à la décantation préférentielle de l'agent de broyage.
La valve de retenue 7 permet au magma de passer par l'ori- fice d'admission 5 dans la partie inférieure 1 mais si l'arrivée de magma diminue ou cesse, la valve de retenue 7 se ferme et empêche le magma contenant l'agent de broyage de revenir de l'orifice d'ali- mentation 5 dans la conduite d'alimentation 6.
EXEMPLE 1 -
L'appareil utilisé est semblable à celui décrit plus haut,
Une charge de 200 livres (91 kg) de particules de verre à la soude ayant une granulométrie comprise entre 0,4 et 0,6 mm est placé* dans la partie inférieure du récipient 1 et les agitateurs 11 sont en- traînés en rotation à 1400 tours/minute.
On magma de bioxyde de titane ayant une concentration de
600 g par litre est introduit par l'orifice d'alimentation 5 à rai- son de 0,08 Il' /heure ce qui donne un temps de séjour moyen dons la partie inférieure du récipient de 9 minutes. La matière évacuée par les conduites 9 a un pouvoir colorant (estimé sur l'échelle
Reynold) de 1790.
A des fins comparatives, on enlève les chicanes 16 du dis- positif et on introduit un magma de bioxyde de titane aqueux conte-
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nant le Berne pigment à la même concentration que dans l'exemple par l'orifice d'alimentation 5. On constate qu'un débit d'alimen- tation de 0,045 m3/heure est nécessaire pour donner un pouvoir colo- rant de la matière évacuée par les conduites 9, de 1730 seulement.
Ce débit d'alimentation signifie que le temps de séjour est de 16 minutes au lieu des 9 minutes de l'exemple. Si on utilise un débit d'alimentation aussi élevé que dans l'exemple (0,08 m3/heure, c'est- à-dire un temps de séjour de 9 minutes), le pouvoir colorant de la matière évacuée tombe à 1675.
EXEMPLE 2 -
L'appareil utilisé est semblable à celui décrit plus haut mais a les dimensions suivantes
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<tb> Diamètre <SEP> intérieur <SEP> de <SEP> la <SEP> partie <SEP> inférieure <SEP> 1 <SEP> 21,5 <SEP> poupes
<tb> (51,5 <SEP> cm)
<tb>
<tb> Hauteur <SEP> de <SEP> la <SEP> partie <SEP> inférieure <SEP> 1 <SEP> 48 <SEP> pouces
<tb> (122 <SEP> cm)
<tb> Diamètre <SEP> des <SEP> agitateurs <SEP> 11 <SEP> 17,5 <SEP> pouces
<tb> (44,5 <SEP> cm)
<tb>
<tb>
<tb> Nombre <SEP> d'agitateurs <SEP> 11 <SEP> 6
<tb>
<tb> Ecartement <SEP> des <SEP> agitateurs <SEP> 11 <SEP> 7 <SEP> pouces
<tb>
<tb> (17,8 <SEP> en)
<tb>
L'appareil est pourvu successivement de jeux de chicanes 16 qui s'étendent vers l'intérieur sur diverses distances depuis la paroi intérieure de la partie inférieure 1 du récipient à mi-distan- ce entre les agitateurs 11. Les longueurs des chicanes depuis la paroi intérieure sont de 2 pouces ou 5 cm (jusque la périphérie de l'agitateur); 2,5 pouces ou 6,35 cm (1/2 ou 1," cm de Chevauche. ment); 3 pouces ou 7,6 cm (1 pouce ou 2,5 cm de chevauchement)? 3,5 pouces ou 8,9 cm (1,5 pouce ou 3,8 cm de chevauchement) et 5 pouce. ou 12,7 cm (3 pouces ou 7,6 cm de chevauchement).
L'appareil est mis en oeuvre avec chaque jeu de chicanes, les agitateurs étant entraînes en rotation à 625 tours/minute.
L'appareil contient pour chaque opération une charge de 1400 livres (635 kg) de sable d'Ottawa comme agent de broyage et est alimenté par une source commune de magma de TiO2 aqueux contenant
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650 g par litre de TiO2 et du silicate de sodium (1"" targe de 61 2 sur du T102) comme agent de d1.p.rI1n raie on de 0,3% )t''/ heure dans chaque cas,
EMI12.2
On prélève des échantillons du pigment apr4o avoir établi un état d'équilibre et on examine ces échantillons pour d4tofflInoV leur pouvoir colorant par le procède du bleu de Reynold. On note la consommation d'énergie du broyeur.
On obtient les résultats suivants!
EMI12.3
Chevauchement ,t , 1 2. 1/2" (1,27 en) 1760
EMI12.4
<tb> 1" <SEP> (2,5 <SEP> cm) <SEP> 1760
<tb>
<tb> 11/2" <SEP> (3,8 <SEP> cm) <SEP> 1760
<tb>
<tb> 5. <SEP> 3" <SEP> (7,6 <SEP> cm) <SEP> 1760
<tb>
EMI12.5
Dans la première ligne du tableau (qui n'est P48 '01'(0" ' lu présente invention), le pouvoir colorant *et qté'1 au* 1. gnon 2 à 5 qui sont conformes à la présente invention,, X...a..
1 - Appareil pour broyer au sable, caractérisé" en et qu'il comprend un récipient et un arbre tournant dans le récipient, l'ar- bre comportant plusieurs agitateurs espacé? 10ns1w"JJJl.t dans le récipient,une chicane au moins étant prévue et N'étendant vers l'intérieur depuis la paroi intérieure du récipient entre les agita*
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tours de sorte que le bord intérieur de la chicane et lee barda ex- térieurs des agitateurs chevauchent, la chicane s'étendant sans in- terruption ou en substance sans interruption tout autour de la paroi Intérieure du récipient.