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,, procédé de traitement d'oxydée minéraux par accélération et atténuation".
La présente invention a pour objet un procède d'accélération et d'atténuation d'oxydes minéraux, plus particulièrement dea oxydes purs ou mélangés de métaux mono-. bi-, tri-, et titra- Talents. au moyen de flux de gaz provenant de chambres de embu- %ion.
Le procédé conforme à la présente invention est décrit en détail dans le brevet espagnol n 291.540 du 20 septembre 1963, et constitue un perfectionnement aux procédés décrits dans les brevets des E.U.A. n* 2.699.631 du 18 janvier 1955,
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8 1$3. juillet 1955, n 2.?2Y,666 du 29 caymbre 195# ' du 6 d'cl\1C1brt 1955, ne 2.dU.S19 4u U f4vritr 19580 o,a41.21 du ler Juillet 19>6. à 2 916*773 du 15 46coabre lY,9t u@ 2$9b$Ó d 24 mai 1961, ne 2.97.'l1 du 13 juin 1961, 04 'JôCl.j.21 'du 2 Janvlor 1962, nl 3.013.842 du 9 janvier 1962, ,ne .O)21a du 24 Julllet 1962.
a* 3so49*751 du 21 tott 1962o e J01410 du a2 3Qnv1er l9b3p ledit p<!-f<eti.onawaent consiatant en so quton net on oeuvre le proe4d& en utilisant un dispositif DupplQmntn1 dtalim6ntaticn de màtiéres première, , aouaettre QU precouuu8 d1ae61érDtlon et tatténUlt1onJ ledit dispositif Gtant @1l6 t tournant autour 4t son axe. tant à l'intérieur t10 la olxi;wabx1S de cembustion faurnissact le milieu soufflants quîê 1?i>tér14inr de la tuyère De Lavai d'accélération.
Il e3t connu qu'à l'intérieur de la tuyère De Lavai, lois prouclons, tpér&ureu et vitesses varient ou peuvent varier de hazan &ppr6eiable sur des distances extrêmement courtes. Dl ùul> o parte on sait que l'injection de matières premières à 1' tat fluide, pateux ou solide (par exemple sous forme d'une pondre trba fine) s'effectue de manière totalement différente ci ello a lieu au moyen d'un dispositif tournant, ledit dispositif agissant co,,ùo un Rtosiseur de particules liquides, semi-liquîdes eu eolîdes (poudre). Toutefois, les brevets cités plus haut à tîteo d111ustration de la technique antérieure ne comportent en
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aucune manière la mention de dispositif atomiseur de matières
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pre2ibrez et décrivent des procédés selon lesquels on soumet au traitement soit un jet principal, soit des filaments ou lames à l#6tnt solide ou pàtevx.
Finalement, il y a lieu de tenir compte du fait que, aülon la viscosité des matières premières utilisées, pour obtenir deë produits de dimensions (d1&nètre et longueur) constantes, il est aêeessaire de faire varier presque constamment les caractéristlqueG de toncticnnemant des chambres de combustion ou des br.fil0,ura fournissant les gaz chauds. Le procédé conforme à la
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présente invention permet de maintenir constantes lesdites *trac.
%éristiques de fonctionnement, du point de vue thermodynamique, ce qui contribue & faciliter grandement la mise au point et le fonctionnement continu de l'installation. Dans le procéda de la présente invention, on a prévu la possibilité de faire varier tant les aires des sections critiques des tuyères De Laval utilisées pour accélérer les oxydes soumis au traitement que les aires des sections de sortie des dispositifs accélérateurs, en élevant ou en abaissant le dispositif tournant (atomiseur) d'injection de matières premières, ledit dispositif étant caractérisé par les trois points nouveaux fondamentaux caractéristiques de la présente invention.
1 La possibilité de faire varier la secties 4'injection (c'est-à-dire d'atomisation si on fait tourner le dispositif dt alimentation) en marche en le déplaçant le long de son axe @ri@ cipal, pour le placer en des sections de températures, pressions et vitesses différentes, selon les besoins du procédé.
2 La possibilité de maintenir constants les paramètres du système fournissant le milieu soufflant, c'est-à-dire le milieu accélérateur et atténuateur, en conséquence de l'adaptation des aires d'atomisation cu d'injection aux caractéristiques de chaque type de matières premières utilisées. Ainsi, à chaque viscosité correspondront tant une pression et une température qu'une vitesse d'accélération déterminées.
30 La possibilité de fractionner le jet principal d'alimentation en une multitude de particules de dimensions très réduites, n augmentant la vitesse de révolution du système injecteur tournant ainsi qu'en plaçant la zone d'injection dans une section de la tuyère De Laval où les vitesses sont, par exemple, supersoniques. En effet, la pression de décharge des matières pre- mières augmente au fur et à mesure qu'augmente la vitesse de révolution du système d'alimentation. Ce fait caractéristique permet l'injection de matières premières à des pressions plus élevées que
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celles qui caractérisent le flux gazeux à sa sortie de la chambre de combustion au dispositif producteur du milieu soufflant.
Cette caractéristique nouvelle permet d'injecter pratiquement en n'im- porte quelle zone du dispositif accélérateur, sans qu'on ait besoin de recourir à des colonnes élevées de masse fondue d'oxydes puisque l'on obtient des pressions élevées au moyen du dispositif tournant et mobile le long de l'axe. L'inconvénient majeur des procédés de brevets cités plus haut réside dans le fait de rendre nécessaires des colonnes élevées de masse fondue, puisque la pression est élevée dans la chambre de combustion. On sait que les processus de combustion nécessitent des pressions relativement élevées, qui conduisaient à l'utilisation do matériaux en forme de lames ou de barreaux, précisément pour pouvoir assurer la pénétration desdits matériaux dans le trajet d'accélération et d' atténuation.
Lorsqu'on utilisait des matières premières à l'état liquide, les colonnes élevées de masse fondue nécessaire, se caractérisaient par une viscosité différente sur la surface exposée à l'atmosphère ou aux dispositifs de pré- ou ré-chauffement.
Les techniques expérimentales appliquées à l'étude de divers types de chambres de combustion sont détaillées dans le brevet espagnol n 291.540 précité.
La présente invention a donc pour objet un procédé d'accélération d'oxydes minéraux purs et mélangés, de métaux mono-, bi-, tri- ou tétravalents, au moyen de flux de gaz provenant de la combustion et au moyen d'un dispositifd'injection d'oxydes mobile et tournant, comme décrit plus en détail ci- après. La vitesse d'accélération V2 mesurée à la sortie est en général supérieure à 800 mètres par seconde, et elle a pour expression
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dans laquelle g est l'accélération de la pessanteur, k est le rap- port des chaleurs spécifiques cp et cv' R la constante des cas parfaits, T1 la température d'entrée en décret kelvin,' l'effi- cacité, et P1 et P2 les pressions absoues d'entrée et de sortie.
La température moyenne dea oxydée à soumettre au trai- tement est presque toujours syoérieure à 1200*C, et comprise en général entre 1350'Cet 2650 C. Par conséquent, la température des gaz accélérateurs doit tire comprise entre 1450 C et 2750 ci puisque la température du flux accélérateur doit forcément être supérieur à la température des cxydes à soumettre au procède.
La viscosité des oxydes soumis au traitement est géné- ralement comprise entre 2 et 150 poises. Cette viscosité corres- pond à une température à laquelle il n'existe déjà plus de cris- taux dans la masse fondue d'oxydes, ce qui signifie que la tempé- rature de travail et par conséquent la température d'accélération est supérieure à la température dite de "liquidus".
Si on considère par exemple une masse fondue d'oxydes caractérisée par une température de "liquidus"de 1400 C, la viscosité étant à cette température de 25 poises, les premiers cristaux commencent à apparaître à 1380 C avec une vitesse de cristallisation d'approximativement 6 nierons par minute. A
1350 C, la vitesse de cristallisation est de 15 microns par minu- te et la viscosité de 130 poises.
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Com=e ltaccildratton doit steffectuer, quand 11 n'exia%o 8 eu fJrlatijAux on IUlpena1on, c.U.-c1 doit avoir Itou lorsque In t¯?:rturo de la sasse fondue est sup4ritum à 1$t'".
Si la tfJ}p6%'turl du flux accélérateur est 1nf6r1eu" ft 1s iPmnpé oturù d* la mflaso fondue d'oxyde. Boula au procéda, la d1t.t'ÓronGQ do teapdr4tiire (T man** fondue - T flux gazeux) p'O\I'OU uno erlstal11eat10n rapide des oxydent de aorte que lea pyoai<5c erisx d, 2 à 3 mlcrons de diamètre apparaissent %Maad 1 clrat.on n'est pas encore terminée. L'abaissement t rapide de la t<ssïp4ramye et ltaugmentation de la viacosite ' 4}u$, [,;'on suit gont que le3 cristaux qui ae sont formés pendant le tcitnt dcc614rQt1on atteignent des diamètres moyens de 4 à 6 i'uex'onS<!i Le diamètro moyen du jet d'oxydes soumis à ladite accé- .ld4tion.est en ,néra3, de .30-40 mm et peut atteindre 50 mes.
Pondent l pmeesous d'accélération, ce jet principal se transfors@ s uae multîtude de jets plus petite. Cette transformation sîenî±'41>e une augmentation considérable de la surface totale,
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aimantation qui entraîne automatiquement un abaissement de la
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". tmp rature. Cette O*ractériatique du procédé rend nécessaire
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l'utilisation de flux accélérateurs dont les températures soient
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supêrîeures à la température du jet principal, en vue de compenser 1';
baissemenl de température due à l'augmentation de surface.
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Etant donné que la longueur des tuyères De Laval peut
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nflttre pas suffisante pour assurer l'accélération ou l'atténuation tetole des aatières premières soumises au traitement, il convient
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en général de prolonger la partie divergente de la tuyère De Lavai au moyen d'un conduit ou d'un diffuseur de section variable ou constante. La configuration de ce conduit détermine également le degré de turbulence obtenu.
D'autre part, au lieu d'évacuer dans l'atmosphère ou
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dans fair qui englobe la partie terminale de la tuyère ou du con-
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duit, on peut évacuer les gaz et les produits obtenus à l'inté- rieur d'une enceinte plus ou moins hermétique, même soumise à une dépression au moyen d'une aspiration appropriée.
L'invention est illustrée plus en détail par le dessin annexé, dans lequel :
La figure 1 représente une demi-coupe schématique du dispositif d'accélaration selon la présente invention.
La figure 2 est une vue en perspective arrachée montrant le dispositif injecteur d'oxydes disposé en avant de la tuyère.
La figure 3 montre un autre mode de réalisation selon lequel le dispositif injecteur d'oxydes est placé dans la section convergente de la tuyère, un peu en avant du col.
La figure 4 est une représentation schématique de la répartition des pressions sur les parois de la tuyère.
Dans le dispositif illustré schématiquement à la figure
1, l'injecteur de masse fondue représenté par 1, pénètre dans la chambre de combustion 3 qui se prolonge à travers la tuyère De
Lavai 4. Sur celle-ci se branche le conduit de diffusion $ qui peut terminer dans la chambre de récupération ou enceinte de dé- charge 6.
Finalement, le diffuseur ou prolongation de la tuyère
De Laval peut être utilisée pour créer un système d'ondes de choc en vue de diminuer la pression totale et d'augmenter la température des gaz.
Une des principales caractéristiques nouvelles du pro- cédé de la présente invention réside dans l'application de flux de gaz à des vitesses supérieures à 1000 mitres/seconde si le pro- cédé le requiert et à des températures utiles atteignant 3500*k.
. La configuration de la chambre de combustion dépend des conditions de température et de pression ainsi que du pouvoir calorifique des combustibles employés.
La température T2' mesurée à la sortie du système
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accélérateur, qui peut comprendre une ou plusieurs tuyères conver- divergentes
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gente3 ,/etst donnée par l'équation !
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et peut atteindre jusqu'à 3500 K.
La chambre de combustion est prévue pour la combustion de propergols.
L'air pour la combustion provient généralement d'un compresseur.
La pression d'injection (p1) est maintenue constante, la pression de décharge (p2) est en général de 10.000 kg/m2.
L'intensité et le rendement de la combustion dépendant des caractéristiques du compresseur'*
Afin d'obtenir le flux supersonique, on peut maintenir le rapport des pressions d'entrée et de sortie
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En utilisant toujours la même tuyère et par simple variation du réglage du dispositif atomiseur, on peut obtenir les régimes de fonctionnement suivants :
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<tb>
<tb> I <SEP> II <SEP> III
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Tuyère eubsonioue Tuvére soniQu Tuyère supersonique Vt 4 at Vt . at Vt . 8t v2 a2 v2 < et v2 > Vt
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Dans ces expressions at et a2 sont les vitesses du son au col et à la sortis de la tuyère Le flux 4 travers la section critique de la tuyère supersonique a pour expression @
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- dans laquelle At est l'aire de la section critique de la tuyères
Vt et vt le volume spécifique et la vitesse au niveau de la *se- tion critique de la tuyère, et
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L'introduction des oxydes minéraux t'effectue par l'axe de la chambre,
de la même manière que l'introduction du combustible dans le propulseur mis au point par Lewis et Merrington, et décrit en détail dans "Symposum on Combustion" de Londres.
La différence entre le dispositif de Lewis et Merringon. et le dispositif selon la présente invention réside dans le fait qu'on peut selon la présente invention prolonger le dispositif d'introduction central jusqu'à arriver à l'extrémité de la section divergente de la tuyère et que celui-ci est tournant* Le refroidissement est réalisé, par exemple, au moyen d'air sous pression ou d'eau.
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la pression à'inj*4%iwn du combustible peut varier selaa le typa de pompe 4t1nJect1cn ut!l!.,. L'angle de pulveriMtien de ce combustible d6ttr#1n. la forée de la flamme et celleci dêtenaino à son tour le degr6 de pr6-dllloclatlon et de dllloeiatisn des constîtuants du eoaùuat1bl, utîlîed.
A ces phënomên*3 de dîn8oeîation# il conviant d'ajouter 10 1%upplàaen% d'6nergl. fournie par les radicaux libres, qui ont é%à i6.aes jsqu*à oos dentiers tempe dons le calcul dea chambres do oQbut1on9 mi3 qui peuvent jouer un rôlo considérable dans l'augmentation de la temp4rature de réactions la reccabinaison de ees radicaux étant très exothermique et constituant une source d'énergie plus puissante que les réactions chimiques-
En générait on admet que le processus de détente dans la tuyère est iso en tropique et que les gaz ne changent pas de composition chimique *
On peut adopter des dispositifs de post-combustion dans la tuyère qui permettent de libérer une nouvelle énergie chimique et de la transformer en
chaleur ce qui augmente la température de sortis T2.
Un des avantages les plus caractéristiques du procédé selen la présente invention est la consommation réduite de flux accélérateur par kilogramme d'oxydes minéraux à accélérer. En effet, les besoins en flux accélérateur diminuent à mesure qu'augmente la température, la vitesse de rotation et la vitesse du flux accélérateur. Ces besoins sont réglés en déplaçant le dispo- sitif d'injection d'oxydes, en processus continu.
La consommation de flux accélérateur est, par exemple, de 2 m3 par kilogramme d'oxydes à accélérer si la température
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du flux est de 230*C. A 4000C la consommation est de l . 3 t à 1.00000 elle est de 0,2 m3s'la vitesse d'accélération du flux accélérateur étant maintenue constante à 500 m/s par exemple à partir de 700*Ce
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Comme l'indique la figure 4, les pressions varient à l'intérieur de la tuyère étant très élevées dans la section d' injection et diminuant considérablement dans la partie conver- gente-divergente, pour atteindre des valeurs égales à la pression atmosphérique dans la section terminale, p2 étant le point dit de décharge.
D'autre part, la température diminue avec la pression.
A mesure que diminuent la pression et la température, la vitesse augmente. Dans la section p,, col de la tuyère, on peut avoir la vitesse locale du son. Au point p2' de décharge, la vitesse peut être supersonique. La vitesse est subsonique dans les sections antérieures à pt (et postérieures s'il y a une onde de choc).
Le procédé conforme à la présente invention permet d' adapter les conditions de température, de pression et de vitesse aux nécessités qui caractérisent les combinaisons des oxydes minéraux soumis au traitement sans qu'il soit nécessaire de faire varier les conditions de fonctionnement de la chambre de combus- tion. Ce dispositif permet de maintenir constantes les pressions et les débits de : a) l'air de combustion ou comburant b) l'air ou l'eau de refroidissement c) le combustible injecté d) les oxydes injectés.
Il permet également de maintenir constantes les températures T1' Tt et T2'
Si l'injection'des oxydes minéraux doit s'effectuer quand la vitesse est faible mais la température et la pression élevées, cette injection a lieu dans la section indiquée par la figure 2. Sur cette figure, 1 et 2 représentent les entrées de$ oxydos et de l'air de refroidissement, et l'et 2' les directions respectives et ces entrées à partir de l'extérieur.
Si l'injection des oxydes minéraux doit s'effectuer
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quand la pression est plus faible, la température moins élevée mais la vitesse plus élevée, on déplacera le dispositif d'injec- tion 1 en direction de la section p ou de la section p2 selon les effets recherchés.
Un autre exemple d'injection selon la présente invention est représenté dans la figure 3.
On peut utiliser divers dispositifs d'injection d'oxydes, placés l'un près de l'autre à l'intérieur de la chambre, afin d' augmenter le rendement ou bien de diminuer le diamètre du jet d'oxydes soumis au procédé, en injectant plusieurs jets de dia- mètres plus réduits (par exemple un faisceau de jets).
En déplaçant le dispositif refroidi d'injection d'oxydes minéraux sur l'axe C-D, depuis la section A-B en direction de la section E-F, on modifie totalement les conditions d'accélération, ou puisqu'on passe de la pression P1 à des pressions P2, c'est-à- dire de la pression p1 à des pressions supérieures ou égales à p2; puisqu'on passe de la température T1 à la température Tt ou T2' soit de la température T1 à des températures supérieures ou égales à T2' et de la vitesse v1 aux vitesses vt ou v2' soit de la vitesse v1 à des vitesses supérieures ou égales à vt.
La section d'injection détermine la vitesse, la pression et la température d'injection et d'accélération; la disposition du système d'injection dans une section déterminée comprise entre les sections A-B et E-F détermine les caractéristiques des pro- duits obtenus : diamètre, longueur et pertes.
Si la viscosité des oxydes minéraux à traiter est supé- rieure ou égale à 1.500 poises, l'injection et l'accélération s'effectueront dans la section A" -B" et à partir de cette sec- tion respectivement. Si la viscosité est inférieure à 1.500 poises ou supérieure ou égale à 20 poises, l'injection s'effectuera dans la section E-F et l'accélération à partir de cette section.
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La Viscosité étant fonction de la température, le dispositif d'injection dioxydes se déplace (automatiqueant ai on le désir*) le Ion,% de l'axe C-D entre A-B et E-F quand la température des oxydée minéraux s'abaisse,
Il est entendu que la présente invention *test pas limi- tée aux modes de réalisation préférés décrits ci-dessus à titre d'exemple d'illustration et quo l'home de l'or% peut y apporter diverses modifications et divers changements sans s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention.