Procédé pour le mélange d'une matière pulvérulente
et appareil pour la mise en oeuvre du procédé
La présente invention comprend un procédé pour le mélange de matières pulvérulentes et un appareil pour la mise en oeuvre du procédé.
I1 est à l'heure actuelle de pratique courante de réaliser des opérations diverses à l'aide de couches fixes fluidisées. Par couches fixes on entend définir que la phase dense du mélange solides-gaz est contenue dans un récipient ayant une hauteur notable, pour faire la distinction avec les couches mobiles peu profondes. Lesdites couches fixes fournissent l'un des meilleurs procédés pour mélanger des solides déjà développés en raison de la turbulence et des courants internes existant dans la couche. Une couche fluidisée constitue ainsi un excellent moyen pour mélanger des solides afin de produire un mélange homogène de différentes matières ou pour donner une moyenne des variables d'un courant produit de façon continue d'une seule matière.
Un haut rendement de mélange dans une couche continuellement fluidisée s'est limité jusqu'ici au traitement de matières brutes ou granulaires ayant une gamme de dimensions de particules appropriée.
En général, on peut dire que lorsqu'une faible proportion des particules a une dimension inférieure à 0,075 mm ou dans certain cas inférieure à 0.05 mm, on obtient un bon mouvement interne dans le mélange en ayant recours à une vitesse appropriée du gaz de fluidisation. A mesure que la dimension moyenne des particules descend en dessous de cette gamme, il devient progressivement plus difficile de maintenir une couche continuellement fluente sans l'aide de moyens mécaniques, ou de processus spéciaux pour amorcer un déplacement de masse de la matière contenue dans le récipient. Lorsque pratiquement toute une matière est de la gamme de dimension de l'ordre du micron comme c'est le cas avec un pigment, une fluidisation dans toutes les conditions devient très difficile ou impossible.
Qu'une matière donnée puisse ou non être fluidisée dépend des caractéristiques des particules constituant la masse de la matière. Les caractéristiques des particules qui en premier lieu déterminent la tendance d'une masse donnée quelconque d'une matière pulvérulente à fluidiser dépendent (1) de la forme des particules individuelles, (2) de la dimension. des particules, et (3) des quantités relatives des particules de dimensions différentes constituant la masse de la matière. Cependant, les quantités optimum de particules de dimensions différentes peuvent varier suivant la matière elle-même et la forme des particules individuelles constituant cette matière.
Du point de vue de la fluidisation, les matières pulvérulentes fluidisables sont normalement définies comme étant (a) celles qui ne sont pas normalement fluidisées par le passage d'un courant d'air ascendant, (b) celles qui peuvent être fluidisées mais avec difficulté et avec l'aide de quantités relativement importantes d'air, par exemple, les matières dans lesquelles les caractéristiques des particules sont telles que l'air, au lieu de se disperser uniformément dans la masse des particules pulvérulentes, a tendance à former dans la matière des canaux dirigés vers le haut et à travers lesquels le gaz de fluidisation a tendance à dévier et à s'échapper, et (c) celles qui ont des caractéristiques de particules qui les rendent relative ment faciles à fluidiser par la traversée d'un courant d'air ascendant.
La présente invention comprend un procédé pour mélanger des matières pulvérulentes difficilement fluidisables et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Cependant, ce procédé et cet appareil conviennent aussi pour le mélange d'une matière pulvérulente qui est facilement fluidisée puisque de ce fait elle écourte l'opération du mélange, bien que ces matières ne posent normalement aucun problème important en ce qui concerne l'obtention du mélange lorsqu'elles sont soumises à de l'air dans des conditions telles qu'elles sont maintenues dans un état fluidisé adéquat.
Dans la production du ciment, en raison des variations dans la composition des constituants de matières brutes, des changements dans la teneur en humidité et d'autres divers facteurs, il est pratiquement impossible, du point de vue industriel, d'influer sur les proportions initiales des matières brutes de manière à empêcher des changements brusques dans la composition de la matière brute fournie, lesquels changements dépassent les limites de tolérance. I1 a donc été de pratique courante dans l'industrie du ciment d'envisager une opération de mélange pour conférer au produit une composition pratiquement uniforme répondant bien aux tolérances désirées.
La production du ciment par le procédé sec comporte l'emploi de diverses matières brutes, et bien que le degré et le genre du broyage effectué donnent une distribution des dimensions des particules toute différente et entraîne des variations dans les propriétés physiques, lesdites matières ont pour leurs particules une gamme de dimensions allant d'environ 0,1 mm jusqu'aux dimensions au-dessous du micron, 800/0 à 90 O/o de ces particules étant normalement plus petites que 0,075 mm.
Bien que le procédé et l'appareil que comprend la présente invention conviennent particulièrement au mélange de matières brutes destinées aux fours à ciment, ils sont applicables également au mélange d'une matière pulvérulente dont, d'une façon générale, les caractéristiques des particules sont telles qu'elles permettent l'aération et la fluidisation d'une masse de la matière.
Plus exactement la présente invention comprend un procédé consistant à maintenir ensemble différentes matières à mélanger, à disperser un gaz vers le haut simultanément à travers des sections verticales différentes de la masse de matières, le gaz dispersé dans au moins une section étant envoyé selon des pulsations sous un volume et une pression propres à assurer la fluidisation de la matière pulvérulente dans cette section, le gaz dispersé dans une section contiguë étant en tel volume et à une telle pression que la matière dans cette section soit aérée mais non amenée à l'état fluidisé, et la présente invention porte en outre sur un appareil pour la mise en oeuvre dudit procédé, appareil comprenant une trémie destinée à recevoir les matières à mélanger,
des dispositifs d'aération disposés au fond de la trémie de manière à se trouver sous les matières à mélanger contenues dans la trémie, lesdits dispositifs d'aération étant disposés selon des sections contiguës, des moyens pour envoyer séparément un gaz dans les dispositifs d'aération de chaque section, des moyens pour envoyer le gaz aux dispositifs d'aération d'au moins une de ces sections selon un volume et une pression de nature à provoquer la fluidisation de la masse des matières pulvérulentes reposant sur les dispositifs d'aération de cette section, des moyens pour envoyer simultanément de l'air aux dispositifs d'aération d'une section contiguë selon un volume et une pression de nature à aérer mais non fluidiser la masse de matières pulvérulentes fluidisables reposant sur les dispositifs d'aération de cette section,
et des moyens pour que l'air envoyé à la section où la fluidisation doit se faire le soit suivant des pulsations.
Le résultat obtenu en soumettant la masse de matière pulvérulente à une fluidisation fractionnée pulsée, comme décrit ci-dessus, est qu'il est possible d'obtenir la fluidisation satisfaisante et le mélange d'une matière pulvérulente dont les caractéristiques de particules sont telles qu'elle ne peut normalement pas ou seulement avec difficulté être mélangée par fluidisation.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention.
Sur ces dessins
La fig. 1 est une vue en coupe horizontale en partie schématique, faite suivant la ligne 1-1 de la fig. 2, d'un silo ou trémie dans lequel le mélange peut être effectué.
La fig. 2 est une vue en coupe verticale médiane du silo ou trémie de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue de détail, en partie en coupe, représentant un dispositif d'aération et la façon d'envoyer le gaz aérateur dans ce dispositif.
La fig. 4 est une coupe de détail représentant les moyens permettant d'étrangler la conduite d'air menant à chacun des dispositifs d'aération, et
la fig. 5 est une vue schématique montrant la circulation de la matière pulvérulente dans la trémie pendant le mélange.
En se référant au dessin, le mélange est effectué dans une trémie 1 ayant une paroi verticale 2 et un fond 3. La trémie peut avoir une section droite quelconque et peut être de toute dimension, de préférence d'une dimension et d'une forme semblables, d'une fa çon générale, à celles des silos actuellement utilisés pour le mélange de matières brutes destinées aux fours à ciment.
Le fond 3 de la trémie est incliné d'un angle de 1 à 130 en direction d'un orifice de décharge 4 s'ouvrant sur son côté le plus bas, le degré d'inclinaison dans chaque cas particulier dépendant des caractéris tiques des particules de la matière pulvérulente. La masse de matières pulvérulentes, après mélange convenable, est déchargée par l'orifice 4 dans un caisson 5 duquel elle est déversée dans un four ou dans une trémie d'emmagasinage.
Une série de dispositifs d'aération individuels 6 reposent sur le fond 3, à faible distance les uns des autres, de manière à offrir une surface poreuse perméable au gaz sur laquelle la masse de matières pulvérulentes repose. Comme représenté sur la fig. 3, chacun des dispositifs d'aération comprend une pièce poreuse perméable au gaz 7 qui peut être un morceau de tissu tissé serré tel qu'une toile à couches multiples du type généralement utilisé pour constituer des courroies ou autre matière poreuse convenable, et une chambre sous-jacente d'air 8 à laquelle de l'air est envoyé pour qu'il passe par le haut à travers la pièce perméable au gaz dans la masse de matières pulvérulentes qui repose au-dessus, dans le but de l'aérer ou de la fluidiser.
Comme représenté aux fig. 1 et 2, il existe à la surface supérieure du plancher une série de canaux
10 qui reçoivent des collecteurs 9 destinés à alimenter en air les dispositifs d'aération individuels. Les extrémités intérieures des collecteurs 9 sont reliées à des tubulures diamétrales 11, 12, 13 et 14. L'air en provenance des différents collecteurs 9 est envoyé aux chambres d'air des dispositifs d'aération individuels au moyen de conduits flexibles tels que des tubes de cuivre 15. On a de préférence recours à des conduits flexibles pour envoyer l'air aux dispositifs d'aération individuels de manière qu'aucune vibration résultant de l'air pulsé dans les collecteurs, comme décrit ci-après, n'endommage les conduits ou leurs raccords avec les collecteurs ou les dispositifs d'aération.
Comme représenté à la fig. 1, le silo est divisé en quadrants A, B, C et D, les limites des quadrants différents étant indiquées par les traits interrompus a et b. Bien que le dessin représente la trémie comme étant divisée en quadrants, il est évident qu'elle pour rait être divisée en un nombre quelconque de secteurs, si elle est circulaire, ou en un nombre quelconque de sections si elle ne l'est pas, les dispositifs d'aération de chaque secteur ou section étant alimentés en air issu des collecteurs par une tubulure qui fournit l'air à ce secteur ou cette section seulement.
Chacune des tubulures 11, 12, 13 et 14 est alimentée en air par deux compresseurs indépendants
16 et 17. L'air en provenance du compresseur 16 passe de la sortie de décharge de celui-ci dans une conduite 18 qui s'étend d'un côté à l'autre de la trémie. A une extrémité, la conduite 18 est reliée à une paire de tuyaux d'alimentation 19 et 21 qui à leur tour sont reliés aux tubulures 1 1 et 12, respectivement. L'air venant de la conduite 18 dans chacun des tuyaux 19 et 21 s'écoule à travers des soupapes d'arrêt 22 et 23 respectivement. A son autre extrémité la conduite 18 est reliée à des tuyaux d'alimentation 24 et 25 qui à leur tour sont reliés aux tubulures de distribution 13 et 14 et les alimentent en air. L'air provenant de la conduite 18 vers les tuyaux 24 et 25 s'écoule à travers des soupapes d'arrêt 26 et 27.
Le compresseur 17 fournit de l'air à la même pression que l'air fourni par le compresseur 16, mais en plus grand volume. L'air sortant de son orifice de décharge passe par des tuyaux 28 et 29 pour aboutir à une conduite 31 qui est parallèle, d'une façon générale, à la conduite 18 et qui, comme la conduite 18, s'étend d'un côté à l'autre de la trémie. A une extrémité, la conduite 31 est reliée par des dérivations 32 et 33 aux tuyaux d'alimentation 19 et 21, respectivement. A son autre extrémité, la conduite 31 est reliée par des dérivations 34 et 35 aux tuyaux d'alimentation 24 et 25, respectivement. L'alimentation en air de la conduite 31, par le canal des dérivations 34 et 35, aux tuyaux d'alimentation est commandée par des soupapes 36, 37, 38 et 39.
Ces soupapes sont de préférence commandées à distance et peuvent être de tout type mais de préférence du type actionné par électro-aimant.
L'alimentation en air du compresseur d'air 17 par la voie du tuyau 29 à la conduite 31 est commandée par une soupape 41 actionnée à la main, qui est normalement maintenue ouverte et par une soupape automatique 42, actionnée par intermittence et commandée à distance. Comme représenté sur la fig. 1, la soupape 42 est du type à électro-aimant et la fréquence de son ouverture et de sa fermeture est commandée par un mécanisme de réglage 43 qui est alimenté en courant électrique à partir d'une source quelconque appropriée. Bien qu'on ait de préférence recours à une soupape actionnée à l'aide d'un électro-aimant, étant donné qu'elle permet une ouverture et une fermeture rapide, on peut être amené à faire appel dans certains cas à une soupape commandée à distance d'un autre type quelconque, telle qu'une soupape papillon tournante.
Un by-pass 44 est branché sur le tuyau 29 de part et d'autre des soupapes 41 et 42. L'écoulement par le by-pass 44 est commandé par une soupape 45 actionnée à la main.
Les soupapes d'arrêt 22, 23, 26 et 27 fonctionnent normalement pour permettre l'écoulement de l'air du compresseur 16, par les tuyaux 19, 21, 24 et 25, dans les tubulures 11, 12, 13 et 14, desquelles il passe par les collecteurs 9 et les conduits 15 dans les dispositifs d'aération. Le volume d'air fourni par le compresseur 16 est suffisant pour produire l'aération de la masse de matières pulvérulentes se trouvant dans le silo, mais insuffisant en volume pour produire sa fluidisation. Par ailleurs, le compresseur
17 est propre à fournir de l'air à un tuyau d'alimentation choisi, en volume excédant celui qui lui est fourni par le compresseur 16 et suffisant pour provoquer la fluidisation de la masse de matières pulvérulentes.
En conséquence, le plus grand volume d'air fourni au tuyau d'alimentation choisi par le compresseur 17 engendre une plus grande pression dans ce tuyau, en provoquant la fermeture de la soupape d'arrêt se trouvant sur son parcours. Ainsi, les soupapes 36, 37 et 38 étant fermées et la soupape 39 ouverte, comme représenté à la fig. 1, la pression régnant dans le tuyau d'alimentation 24 est suffisamment importante pour provoquer la fermeture de la soupape d'arrêt 26.
Etant donné que le tuyau d'alimentation 24 conduit à la tubulure de distribution 14 qui alimente en air les dispositifs d'aération du quadrant A, aucun air ne passe du compresseur 16 aux dispositifs d'aération de ce quadrant mais de l'air est fourni par les tuyaux d'alimentation 19, 21 et 25 aux tubulures 11, 12 et 13, en quantité suffisante pour provoquer l'aération mais non la fluidisation de la matière pulvérulente reposant sur les dispositifs d'aération des quadrants B, C et D. Cependant, de l'air issu du compresseur 17 passe par la soupape ouverte 39 dans le tuyau d'alimentation 24 et ensuite à la tubulure de distribution 14, de sorte que les dispositifs d'aération du quadrant A, sont alimentés en air en volume suffisant pour assurer la fluidisation de la masse de matières pulvérulentes dans ce quadrant.
Afin que l'alimentation en air des différents dispositifs d'aération 6 soit uniforme, sans considération de leur distance par rapport aux tubulures 11,
12, 13 et 14, chaque raccord 46 (fig. 4) comporte un disque 47 percé d'un petit orifice 48 le traversant. Ce petit orifice réduit de telle façon le flux d'air en provenance des collecteurs 9 par les conduits 15 dans la chambre d'air des dispositifs d'aération que chacun de ces dispositifs reçoit la même quantité d'air indépendamment de sa distance par rapport à la tubulure.
La facon suivant laquelle le mélange de la masse de matières pulvérulentes est effectué ressort de l'examen de la fig. 5, en liaison avec la fig. 1. Les soupapes 36, 37, 38 et 39 étant disposées comme déjà décrit, c'est-à-dire les soupapes 36, 37, 38 fermées et la soupape 39 ouverte, de l'air en volume suffisant pour entraîner seulement une aération de la masse de matières pulvérulentes est envoyé aux dispositifs d'aération des quadrants B, C et D à partir du compresseur 16, tandis que simultanément, le compresseur 17 envoie de l'air en volume suffisant pour provoquer une fluidisation dans le quadrant A.
La fluidisation de la masse de matières pulvérulentes dans le quadrant A provoque une séparation des particules, ce qui entraîne une augmentation sensible du volume de la matière dans ce quadrant. Puisque la masse de matières pulvérulentes dans les quadrants B, C et D n'est pas suffisamment aérée pour sa fluidisation, le volume de la masse de matières dans ces quadrants demeure pratiquement sans changement. Ainsi, les parois verticales de la matière dans les quadrants B et D adjacentes au quadrant A ont tendance à confiner latéralement la masse de matières du quadrant A dans ce quadrant, même si son volume a sensiblement augmenté. Donc, la masse de matières fluidisée dans ce quadrant est forcée à s'élever et, lorsque la masse de matières qui s'élève atteint le niveau de la matière pulvérulente dans la trémie, elle se répand sur les quadrants B, C et D.
Dans une trémie circulaire telle que représentée à la fig. 1. on a constaté que tandis que la matière fluidisée du quadrant A se répand au-dessus des quadrants B, C et D, la majeure partie du flux de matière va de la partie supérieure du quadrant A au quadrant
C en passant par le centre de la trémie.
La plus faible densité de la masse de matières fluidisée du quadrant A est indiquée par un pointillé moins dense dans ce quadrant. La masse de matières fluidisée qui se répand au-dessus des quadrants B, C et D à partir de la partie supérieure du quadrant A se désaère progressivement et se dépose au sommet de la masse de matières simplement aérée de ces quadrants, comme indiqué au sommet de la matière du quadrant D par l'augmentation progressive vers le bas de la densité des pointillés (fig. 5).
Etant donné que la masse de matières du quadrant D est plus dense que celle du quadrant A, elle se déplace vers le bas et au-dessus du quadrant A, en établissant ainsi une circulation de la matière dans la trémie comme indiqué par les longues flèches c de la fig. 5. Cette circulation de la masse de matières dans la trémie est facilitée par le fait qu'il y a une légère fluidisation de la masse de matières pulvérulentes au bas du quadrant D au voisinage des dispositifs d'aération, ceci étant également indiqué par le léger pointillé à cet endroit.
Alors que la masse de matières fluidisée a les caractéristiques générales d'un fluide et est moins dense que la masse de matières se trouvant dans la portion principale du quadrant D, la plus grande partie de la masse de matières plus denses du quadrant D se dépose sur la masse de matières fluidisée se trouvant en dessous et la fait s'écouler latéralement sur le fond du quadrant
A pour prendre la place de la masse de matières débordant du quadrant, d'où résulte une accélération de la circulation principale de la masse de matières comme indiqué par les flèches c.
Etant donné qu'il y a une dispersion d'air latérale du quadrant A dans les quadrants adjacents, il n'y a pas une séparation nette entre la masse de matières fluidisée du quadrant A et la masse de matières simplement aérée des quadrants adjacents. I1 existe une zone de transition dans laquelle la masse de matières est aérée à un degré moins élevé que dans le quadrant A mais plus élevé que dans les secteurs adjacents. Cette zone est indiquée en d de la fig. 5.
Simultanément à la circulation de la matière, indiquée par les flèches c de la fig. 5. il y a un courant moins important de matière à partir des côtés limitrophes verticaux des quadrants B, C et D adjacents au quadrant A, dans ce quadrant. Ceci est indiqué par les petites flèches c de la fig. 5.
Le fonctionnement continu de la soupape 42 durant l'alimentation en air à partir du compresseur 17 dans le quadrant A pour assurer la fluidisation de la masse de matières pulvérulentes dans ce quadrant y provoque l'introduction pulsée de l'air. Ceci est particulièrement avantageux dans les cas où la masse de matières en train d'être mélangée ne peut, en raison des caractéristiques des particules. normalement être fluidisée ou ne peut seulement être fluidisée qu'à l'aide de grandes quantités d'air. Avec de telles matières. la fluidisation est de façon générale empêchée ou rendue difficile parce que l'air introduit ne reste pas uniformément réparti dans l'ensemble de la masse de matières mais forme des canaux verticaux d'air.
Etant donné que l'air suit les chemins de moindre résistance en se dirigeant vers le haut dans une masse de matière pulvérulente, de tels canaux ont tendance à fonctionner comme des by-pass ou des évents pour l'échappement de l'air de la masse de matières. Cet état de choses fait que des parties adjacentes de la masse sont dépossédées d'une telle quantité d'air et que la matière dans ces parties ne demeure pas plus longtemps à l'état fluidisé, ou autrement que ces parties nécessitent de plus grandes quantités d'air pour maintenir la masse de matières pulvérulentes à l'état fluidisé.
Avec une masse de matières dont les caractéristiques des particules sont de nature à favoriser la formation de canaux lors de l'introduction de l'air, une interruption momentanée de l'alimentation en air dans la masse de matières provoque l'effondrement de la masse de matières fluidisées en raison du manque d'une quantité d'air suffisante dans cette masse de matières pour la maintenir à l'état fluidisé. Cet effondrement de la matière provoque l'obturation des canaux, de sorte que lorsque l'air est à nouveau introduit de nouveaux canaux s'établissent en des endroits différents. Cette formation continuelle de canaux d'air et l'effondrement de la masse de matières pulvérulentes dans ceux-ci facilitent le mélange de la matière constituant la masse.
La durée des cycles pulsés, un cycle correspondant au temps s'écoulant du début de la période d'action des pulsations au début de la période d'action suivante, est déterminée par les caractéristiques des particules de la masse de matières pulvérulentes particulière qui est mélangée, et peut varier d'environ 0,7 seconde à environ 15 secondes. Pour la plupart des matières pulvérulentes, un cycle de 0,9 à 5 secondes est préféré.
Le rapport de la période d'action à la période d'inaction dans chaque cycle dépend également des caractéristiques des particules de la matière donnée.
La période d'inaction est normalement déterminée par la vitesse de la matière traitée à se débarrasser de l'air, qui correspond au temps que met la matière pour retourner de son état complètement fluidisé à son état original privé d'air, après que l'alimentation en air de fluidisation est interrompue. La période d'inaction ne doit de préférence pas être d'une durée telle que la matière retourne complètement à son état privé d'air et doit être juste assez longue pour assurer l'effondrement des canaux d'air qui ont été formés.
Lorsque l'air de fluidisation est envoyé à la matière pulvérulente par pulsations, comme décrit ci
dessus, il passe progressivement en se dirigeant vers le haut à travers la masse de matières selon des on
des et provoque la pulsation de la masse de matières dans chaque section de celle-ci parcourue par une
onde, la masse de matières dans chaque section étant tout d'abord élevée à une certaine hauteur puis s'effondrant sur une partie de cette hauteur, chaque effondrement vers le bas de la masse de matières servant à briser les canaux formés dans la matière pendant la période d'action.
Cette rupture des canaux d'air facilite non seulement le mélange de la masse de matières mais également permet d'obtenir une fluidisation satisfaisante avec moins d'air, puisque pratiquement tout l'air introduit est utilisé lors de l'opération de fluidisation et ne s'échappe pas par les canaux d'air. Cet air, tout comme celui des canaux situés dans une section quelconque, est forcé à réintégrer la masse de matières pulvérulentes et aide à sa fluidisation lors de l'effondrement des canaux.
Dans certains cas il peut ne pas être bon de couper complètement l'alimentation en air de fluidisation dans la période ainsi dénommée de coupure du cycle de pulsation, mais simplement de réduire la quantité d'air fourni à cet effet. Dans ces cas, la soupape commandée à la main 45, intercalée dans la conduite 44 qui constitue un by-pass pour la soupape 42 à fonctionnement intermittent, peut être ouverte d'une quantité suffisante pour fournir le volume d'air réduit désiré pendant la période de coupure , quand la soupape 42 est fermée.
De cette façon, lorsqu'on fait état ici d'une introduction d'air par pulsations , il doit être entendu que les pulsations peuvent être simplement obtenues en réduisant périodiquement le volume d'air envoyé dans les sections fluidisées, de même qu'en coupant totalement l'alimentation en air pendant la période de coupure.
S'il est désiré à un moment quelconque d'envoyer de l'air au quadrant A ou à un autre quelconque quadrant dans lequel la masse de matières pulvérulentes est en train d'être fluidisée, de façon continue plutôt que par pulsations, il suffit de fermer la soupape commandée à la main 41 se trouvant dans le tuyau 29 et d'ouvrir la soupape commandée à la main 45 branchée dans le by-pass 44. Tout le volume d'air issu du compresseur s'écoule alors de l'orifice de décharge de celui-ci par le tuyau 28, le by-pass 44 et le tuyau 29 dans la conduite 31 de laquelle il passe par le tuyau de distribution choisi pour alimenter la tubulure du quadrant qui doit être fluidisé par un courant continu.
Au lieu de faire fonctionner la soupape 42 de manière qu'elle coupe brutalement l'alimentation en air de fluidisation, comme cela est obtenu avec une soupape commandée par électro-aimant, la soupape peut être ouverte et fermée progressivement pour augmenter ou diminuer graduellement l'envoi de l'air dans la matière pulvérulente, en provoquant de la sorte des ondes d'air de caractères différents dans la masse de matières fluidisée. Une augmentation et une diminution graduelles semblables du vo lume d'air fourni pour obtenir la fluidisation de la masse de matières pulvérulentes peuvent être obtenues en ayant recours à une soupape à papillon tournant de façon continue à la place de la soupape à électro-aimant 42.
Les différentes sections sont soumises en série à l'air en volume suffisant pour les fluidiser et suivant tout cycle désiré. Le cycle peut se faire dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens contraire, ou suivant un tout autre ordre. De même, si on le désire, plus d'un secteur ou section peut être soumis à la fluidisation à tout moment, particulièrement si la trémie est une trémie importante et divisée en un grand nombre de sections. De même, le nombre des secteurs ou sections n'est pas limitatif tant qu'il y a au moins une section dans laquelle la masse de matières pulvérulentes est simplement aérée et non fluidisée.
Le temps pendant lequel la masse de matières dans l'un -quelconque des secteurs ou sections est maintenue à l'état fluidisé n'est également pas critique. Pour de nombreuses matières, il est avantageux d'avoir recours à un cycle de fluidisation de 2 minutes à 15 minutes pour chaque secteur ou section.
Afin de soumettre en série les différents quadrants de la trémie à de l'air en volume permettant la fluidisation, les soupapes à électro-aimant 36, 37, 38 et 39 sont connectées à un mécanisme de réglage électrique d'un type courant qui provoque l'ouverture de ces soupapes au moment désiré et les maintient ouvertes pour le temps que l'on désire soumettre la matière pulvérulente à la fluidisation dans les différents quadrants.
La valeur de la pression d'air qui est maintenue dans les tubulures 11, 12, 13 et 14 dépend des caractéristiques des particules de la masse de matières pulvérulentes et de la hauteur de la matière dans la trémie, puisque ces données constituent les facteurs qui déterminent le nombre de dm5 par unité de l'aire d'aération qui sont nécessaires pour maintenir la masse de matières pulvérulentes reposant sur cette aire, respectivement à l'état aéré et
Method for mixing a powder material
and apparatus for carrying out the method
The present invention comprises a process for mixing powdery materials and an apparatus for carrying out the process.
It is currently common practice to carry out various operations using fluidized fixed layers. By fixed layers is meant to define that the dense phase of the solid-gas mixture is contained in a container having a significant height, to distinguish it from the shallow moving layers. Said fixed layers provide one of the best methods for mixing already developed solids due to the turbulence and internal currents existing in the layer. A fluidized bed is thus an excellent way to mix solids to produce a homogeneous mixture of different materials or to average the variables of a continuously produced stream of a single material.
High mixing efficiency in a continuously fluidized bed has heretofore been limited to processing raw or granular materials having an appropriate range of particle sizes.
In general, it can be said that when a small proportion of the particles has a dimension less than 0.075 mm or in some cases less than 0.05 mm, good internal movement in the mixture is obtained by using an appropriate velocity of the fluidizing gas. . As the average particle size drops below this range, it becomes progressively more difficult to maintain a continuously fluent layer without the aid of mechanical means, or special processes to initiate a mass displacement of the material contained in the layer. container. When substantially all of a material is in the micron size range as is the case with pigment, fluidization under all conditions becomes very difficult or impossible.
Whether or not a given material can be fluidized depends on the characteristics of the particles making up the mass of the material. The characteristics of the particles which primarily determine the tendency of any given mass of a powdery material to fluidize depend (1) on the shape of the individual particles, (2) on the size. particles, and (3) relative amounts of particles of different sizes constituting the mass of matter. However, the optimum amounts of particles of different sizes may vary depending on the material itself and the shape of the individual particles constituting that material.
From a fluidization point of view, fluidizable powdery materials are normally defined as (a) those which are not normally fluidized by the passage of an upward air stream, (b) those which can be fluidized but with difficulty and with the help of relatively large amounts of air, for example, materials in which the characteristics of the particles are such as air, instead of dispersing uniformly in the mass of the powder particles, tend to form in the material of the upwardly directed channels through which the fluidizing gas tends to deflect and escape, and (c) those which have particle characteristics which make them relatively easy to fluidize by passing through a ascending air current.
The present invention comprises a process for mixing pulverulent materials which are difficult to fluidize and an apparatus for carrying out this process. However, this method and apparatus is also suitable for mixing a powdery material which is easily fluidized since thereby shortens the mixing operation, although these materials do not normally pose any significant problem in obtaining. of the mixture when subjected to air under conditions such as to be maintained in a suitable fluidized state.
In the production of cement, due to variations in the composition of the constituents of raw materials, changes in moisture content and other various factors, it is practically impossible from an industrial point of view to influence the proportions initial raw materials so as to prevent abrupt changes in the composition of the raw material supplied, which changes exceed tolerance limits. It has therefore been common practice in the cement industry to envisage a mixing operation in order to give the product a practically uniform composition satisfying the desired tolerances well.
The production of cement by the dry process involves the use of various raw materials, and although the degree and kind of grinding carried out results in a very different particle size distribution and results in variations in physical properties, such materials have their particles range in size from about 0.1 mm to below micron sizes, 800/0 to 90 O / o of such particles being normally smaller than 0.075 mm.
While the method and apparatus of the present invention are particularly suitable for mixing raw materials for cement kilns, they are also applicable for mixing a powdery material in which, in general, the particle characteristics are such that they allow aeration and fluidization of a mass of matter.
More precisely the present invention comprises a method of holding together different materials to be mixed, dispersing a gas upwardly simultaneously through different vertical sections of the mass of materials, the gas dispersed in at least one section being pulsed. under a volume and pressure suitable for fluidizing the pulverulent material in this section, the gas dispersed in an adjoining section being in such a volume and at such a pressure that the material in this section is aerated but not brought to the state fluidized, and the present invention further relates to an apparatus for carrying out said method, apparatus comprising a hopper for receiving the materials to be mixed,
aeration devices arranged at the bottom of the hopper so as to lie under the materials to be mixed contained in the hopper, said aeration devices being arranged in contiguous sections, means for separately sending a gas into the devices of ventilation of each section, means for sending the gas to the aeration devices of at least one of these sections according to a volume and a pressure such as to cause fluidization of the mass of pulverulent materials resting on the aeration devices of this section, means for simultaneously sending air to the aeration devices of a contiguous section according to a volume and a pressure such as to aerate but not fluidize the mass of fluidizable pulverulent materials resting on the aeration devices of this section,
and means so that the air sent to the section where the fluidization is to take place is pulsating.
The result obtained by subjecting the mass of powdery material to pulsed fractional fluidization, as described above, is that it is possible to obtain the satisfactory fluidization and mixing of a powdery material whose particle characteristics are such that It cannot normally or only with difficulty be mixed by fluidization.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the apparatus for carrying out the method, object of the invention.
On these drawings
Fig. 1 is a partly schematic horizontal sectional view taken along line 1-1 of FIG. 2, a silo or hopper in which mixing can be carried out.
Fig. 2 is a view in median vertical section of the silo or hopper of FIG. 1.
Fig. 3 is a detail view, partly in section, showing an aeration device and the way to send the aerating gas to this device.
Fig. 4 is a detailed sectional view showing the means for throttling the air duct leading to each of the aeration devices, and
fig. 5 is a schematic view showing the circulation of the pulverulent material in the hopper during mixing.
Referring to the drawing, mixing is carried out in a hopper 1 having a vertical wall 2 and a bottom 3. The hopper can have any cross section and can be of any size, preferably of one size and shape. Similar, in general, to silos currently used for mixing raw materials for cement kilns.
The bottom 3 of the hopper is inclined at an angle of 1 to 130 towards a discharge orifice 4 opening on its lower side, the degree of inclination in each particular case depending on the characteristics of the particles. powdery material. The mass of pulverulent materials, after suitable mixing, is discharged through the orifice 4 into a box 5 from which it is discharged into an oven or into a storage hopper.
A series of individual aeration devices 6 rest on the bottom 3, at a short distance from each other, so as to provide a porous gas-permeable surface on which the mass of pulverulent materials rests. As shown in fig. 3, each of the aeration devices comprises a porous gas permeable piece 7 which may be a piece of tightly woven fabric such as a multi-layered fabric of the type generally used to form belts or other suitable porous material, and a chamber subjacent air 8 to which air is sent to pass from above through the gas permeable part into the mass of powdery material which rests above, for the purpose of aerating or to fluidize it.
As shown in fig. 1 and 2, there is a series of channels on the upper surface of the floor
10 which receive collectors 9 intended to supply air to the individual aeration devices. The inner ends of the collectors 9 are connected to diametral pipes 11, 12, 13 and 14. The air from the different collectors 9 is sent to the air chambers of the individual aeration devices by means of flexible ducts such as copper tubes 15. Preferably, flexible ducts are used to send the air to the individual aeration devices so that any vibration resulting from the air pulsed in the manifolds, as described below, does not damage conduits or their connections with collectors or aeration devices.
As shown in fig. 1, the silo is divided into quadrants A, B, C and D, the boundaries of the different quadrants being indicated by the dotted lines a and b. Although the drawing shows the hopper as being divided into quadrants, it is obvious that it could be divided into any number of sectors, if it is circular, or any number of sections if it is not. the aeration devices of each sector or section being supplied with air coming from the collectors by a tubing which supplies air to this sector or this section only.
Each of the pipes 11, 12, 13 and 14 is supplied with air by two independent compressors
16 and 17. The air from the compressor 16 passes from the discharge outlet thereof into a duct 18 which extends from one side of the hopper to the other. At one end, the pipe 18 is connected to a pair of supply pipes 19 and 21 which in turn are connected to the pipes 1 1 and 12, respectively. Air from line 18 into each of pipes 19 and 21 flows through stop valves 22 and 23 respectively. At its other end the pipe 18 is connected to supply pipes 24 and 25 which in turn are connected to the distribution pipes 13 and 14 and supply them with air. Air from line 18 to pipes 24 and 25 flows through shutoff valves 26 and 27.
The compressor 17 supplies air at the same pressure as the air supplied by the compressor 16, but in a larger volume. The air leaving its discharge port passes through pipes 28 and 29 to terminate in a pipe 31 which is generally parallel to the pipe 18 and which, like the pipe 18, extends from one side to the other. side to side of the hopper. At one end, the pipe 31 is connected by branches 32 and 33 to the supply pipes 19 and 21, respectively. At its other end, the pipe 31 is connected by branches 34 and 35 to the supply pipes 24 and 25, respectively. The supply of air from the line 31, through the channel of the branches 34 and 35, to the supply pipes is controlled by valves 36, 37, 38 and 39.
These valves are preferably remotely controlled and can be of any type but preferably of the electromagnet actuated type.
The supply of air from the air compressor 17 through pipe 29 to line 31 is controlled by a hand operated valve 41, which is normally held open, and by an automatic valve 42, intermittently operated and controlled by. distance. As shown in fig. 1, the valve 42 is of the electromagnet type and the frequency of its opening and closing is controlled by an adjustment mechanism 43 which is supplied with electric current from any suitable source. Although it is preferable to use a valve actuated by means of an electromagnet, since it allows rapid opening and closing, it may be necessary in certain cases to use a controlled valve. remote of some other type, such as a rotary butterfly valve.
A bypass 44 is connected to the pipe 29 on either side of the valves 41 and 42. The flow through the bypass 44 is controlled by a valve 45 operated by hand.
The shut-off valves 22, 23, 26 and 27 operate normally to allow the flow of air from the compressor 16, through the pipes 19, 21, 24 and 25, into the pipes 11, 12, 13 and 14, from which it passes through the collectors 9 and the conduits 15 in the aeration devices. The volume of air supplied by the compressor 16 is sufficient to produce aeration of the mass of pulverulent materials in the silo, but insufficient in volume to produce its fluidization. Moreover, the compressor
17 is suitable for supplying air to a selected supply pipe, in a volume exceeding that supplied to it by the compressor 16 and sufficient to cause fluidization of the mass of pulverulent materials.
Consequently, the greater volume of air supplied to the supply pipe chosen by the compressor 17 generates a greater pressure in this pipe, causing the closure of the stop valve located on its path. Thus, the valves 36, 37 and 38 being closed and the valve 39 open, as shown in FIG. 1, the pressure in the supply pipe 24 is high enough to cause the shut-off valve 26 to close.
Since the supply pipe 24 leads to the distribution manifold 14 which supplies air to the aeration devices of quadrant A, no air passes from the compressor 16 to the aeration devices of this quadrant but air is supplied by the supply pipes 19, 21 and 25 to the pipes 11, 12 and 13, in an amount sufficient to cause aeration but not the fluidization of the pulverulent material resting on the aeration devices of quadrants B, C and D However, air from the compressor 17 passes through the open valve 39 into the supply pipe 24 and then to the distribution manifold 14, so that the aeration devices of quadrant A are supplied with air. sufficient volume to ensure fluidization of the mass of pulverulent materials in this quadrant.
So that the air supply to the various aeration devices 6 is uniform, regardless of their distance from the pipes 11,
12, 13 and 14, each connector 46 (FIG. 4) comprises a disc 47 pierced with a small orifice 48 passing therethrough. This small orifice reduces the flow of air from the collectors 9 through the ducts 15 into the air chamber of the aeration devices in such a way that each of these devices receives the same quantity of air regardless of its distance from it. to the tubing.
The way in which the mixing of the mass of pulverulent materials is carried out emerges from the examination of FIG. 5, in conjunction with FIG. 1. The valves 36, 37, 38 and 39 being arranged as already described, that is to say the valves 36, 37, 38 closed and the valve 39 open, sufficient air volume to cause only aeration. of the mass of pulverulent material is sent to the aeration devices of quadrants B, C and D from the compressor 16, while simultaneously, the compressor 17 sends air in sufficient volume to cause fluidization in the quadrant A.
Fluidization of the mass of powdered material in quadrant A causes separation of the particles, which results in a substantial increase in the volume of material in this quadrant. Since the mass of powdered material in quadrants B, C and D is not sufficiently aerated for its fluidization, the volume of the mass of material in these quadrants remains virtually unchanged. Thus, the vertical walls of matter in quadrants B and D adjacent to quadrant A tend to laterally confine the mass of matter from quadrant A in that quadrant, even though its volume has increased significantly. So the mass of material fluidized in this quadrant is forced to rise, and when the mass of material that rises reaches the level of the powdery material in the hopper, it spills over to quadrants B, C and D.
In a circular hopper such as shown in FIG. 1.We have found that while the fluidized matter of quadrant A spreads above quadrants B, C and D, most of the material flow goes from the upper part of quadrant A to quadrant
C passing through the center of the hopper.
The lower density of the fluidized mass of the A quadrant is indicated by a less dense dotted line in that quadrant. The fluidized mass of material that spills over quadrants B, C, and D from the top of quadrant A gradually deaerates and settles on top of the simply aerated material mass of these quadrants, as shown at the top. of the matter of quadrant D by the gradual downward increase in the density of the dotted lines (fig. 5).
Since the mass of material in quadrant D is denser than that in quadrant A, it moves down and above quadrant A, thereby establishing a flow of material in the hopper as indicated by the long arrows. c of fig. 5. This circulation of the mass of material in the hopper is facilitated by the fact that there is a slight fluidization of the mass of pulverulent material at the bottom of quadrant D in the vicinity of the aeration devices, this also being indicated by the light dotted here.
While the fluidized mass of matter has the general characteristics of a fluid and is less dense than the mass of matter in the major portion of quadrant D, most of the mass of denser matter in quadrant D is deposited onto the fluidized mass of material below and causes it to flow laterally over the bottom of the quadrant
A to take the place of the mass of matter protruding from the quadrant, resulting in an acceleration of the main circulation of the mass of matter as indicated by the arrows c.
Since there is lateral air dispersion from quadrant A into adjacent quadrants, there is not a clear separation between the fluidized mass of material in quadrant A and the simply aerated mass of material from adjacent quadrants. There is a transition zone in which the mass of material is aerated to a lesser degree than in quadrant A but greater than in adjacent sectors. This zone is indicated at d of fig. 5.
Simultaneously with the circulation of matter, indicated by the arrows c in fig. 5. There is less material flow from the vertical boundary sides of quadrants B, C, and D adjacent to quadrant A in this quadrant. This is indicated by the small arrows c in fig. 5.
The continuous operation of the valve 42 during the supply of air from the compressor 17 into the quadrant A to ensure the fluidization of the mass of pulverulent materials in this quadrant causes the pulsed introduction of the air therein. This is particularly advantageous in cases where the mass of material being mixed cannot, due to the characteristics of the particles. normally be fluidized or can only be fluidized with large amounts of air. With such materials. fluidization is generally prevented or made difficult because the air introduced does not remain uniformly distributed throughout the mass of materials but forms vertical air channels.
Since air follows paths of least resistance while moving upward through a mass of powdery material, such channels tend to function as by-passes or vents for exhausting air from the chamber. mass of material. This state of affairs causes adjacent parts of the mass to be deprived of such a quantity of air and the material in these parts not to remain in the fluidized state any longer, or otherwise these parts require greater amounts. air to maintain the mass of powdery materials in a fluidized state.
With a mass of materials whose particle characteristics are such as to favor the formation of channels during the introduction of air, a momentary interruption of the air supply in the mass of materials causes the mass to collapse fluidized material due to the lack of sufficient air in this mass of material to maintain it in the fluidized state. This collapse of the material causes the channels to be blocked, so that when the air is introduced again new channels are established in different places. This continual formation of air channels and the collapse of the mass of powdery materials therein facilitates mixing of the material constituting the mass.
The duration of the pulsed cycles, a cycle corresponding to the time from the start of the period of action of the pulses to the start of the next period of action, is determined by the characteristics of the particles of the particular mass of powdery material which is mixed, and can vary from about 0.7 seconds to about 15 seconds. For most powdery materials, a cycle of 0.9 to 5 seconds is preferred.
The ratio of the period of action to the period of inaction in each cycle also depends on the characteristics of the particles of the given matter.
The period of inaction is normally determined by the speed of the material being treated to get rid of air, which is the time it takes for the material to return from its fully fluidized state to its original airless state, after the the supply of fluidizing air is interrupted. The period of inaction should preferably not be of such length that the material completely returns to its airless state and should be just long enough to ensure the collapse of the air channels which have been formed.
When the fluidizing air is sent to the pulverulent material by pulsation, as described above
above, it gradually passes by moving upwards through the mass of matter according to one
des and causes the pulsation of the mass of matter in each section of it traversed by a
wave, the mass of material in each section being first raised to a certain height and then collapsing to a portion of that height, with each downward collapse of the mass of material serving to break up the channels formed in the material during the period of action.
This rupture of the air channels not only facilitates the mixing of the mass of materials but also makes it possible to obtain satisfactory fluidization with less air, since practically all the air introduced is used during the fluidization operation and does not escape through the air channels. This air, like that of the channels located in any section, is forced to re-enter the mass of pulverulent material and aids in its fluidization when the channels collapse.
In some cases it may not be good to shut off the fluidizing air supply completely in the so-called pulse cycle shutdown period, but simply reduce the amount of air supplied for this purpose. In these cases, the hand-operated valve 45, interposed in line 44 which constitutes a bypass for the intermittently operated valve 42, can be opened by an amount sufficient to provide the desired reduced volume of air during the operation. cutoff period, when the valve 42 is closed.
In this way, when referring here to a pulsating air introduction, it should be understood that the pulsations can be obtained simply by periodically reducing the volume of air supplied to the fluidized sections, as well as by completely shutting off the air supply during the shutdown period.
If it is desired at any time to send air to quadrant A or to any other quadrant in which the mass of powdery material is being fluidized, continuously rather than pulsating, it suffices to close the manually controlled valve 41 located in the pipe 29 and to open the manually controlled valve 45 connected in the bypass 44. All the volume of air from the compressor then flows from the discharge orifice thereof through pipe 28, bypass 44 and pipe 29 in the pipe 31 of which it passes through the distribution pipe chosen to supply the tubing of the quadrant which must be fluidized by a direct current.
Instead of operating the valve 42 so that it abruptly cuts off the supply of fluidizing air, as is achieved with an electromagnet controlled valve, the valve can be opened and closed gradually to gradually increase or decrease the volume. sending air into the pulverulent material, thereby causing air waves of different characters in the fluidized mass of material. A similar gradual increase and decrease in the volume of air supplied to achieve fluidization of the mass of powdery material can be achieved by using a continuously rotating butterfly valve in place of the solenoid valve 42. .
The different sections are subjected in series to air in sufficient volume to fluidize them and according to any desired cycle. The cycle can be done in the direction of clockwise or in the opposite direction, or in a completely different order. Likewise, if desired, more than one sector or section may be subjected to fluidization at any time, particularly if the hopper is a large hopper and divided into a large number of sections. Likewise, the number of sectors or sections is not limiting as long as there is at least one section in which the mass of pulverulent materials is simply aerated and not fluidized.
The time during which the mass of material in any one of the sectors or sections is maintained in a fluidized state is also not critical. For many materials it is beneficial to use a 2 minute to 15 minute fluidization cycle for each sector or section.
In order to subject in series the different quadrants of the hopper to volume air allowing fluidization, the solenoid valves 36, 37, 38 and 39 are connected to an electrical adjustment mechanism of a common type which causes opening these valves at the desired time and keeps them open for the time it is desired to subject the pulverulent material to fluidization in the various quadrants.
The value of the air pressure which is maintained in the nozzles 11, 12, 13 and 14 depends on the characteristics of the particles of the mass of powdery material and on the height of the material in the hopper, since these data constitute the factors which determine the number of dm5 per unit of the aeration area which are necessary to maintain the mass of pulverulent materials resting on this area, respectively in the aerated state and