EP0157696A1 - Appareil pour le mélange rapide de deux fluides - Google Patents

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EP0157696A1
EP0157696A1 EP85400566A EP85400566A EP0157696A1 EP 0157696 A1 EP0157696 A1 EP 0157696A1 EP 85400566 A EP85400566 A EP 85400566A EP 85400566 A EP85400566 A EP 85400566A EP 0157696 A1 EP0157696 A1 EP 0157696A1
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EP
European Patent Office
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fluid
nozzle
diaphragm
fluids
mixing
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Withdrawn
Application number
EP85400566A
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German (de)
English (en)
Inventor
Robert Louboutin
Vincent Savall
Patrick Vion
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Suez International SAS
Original Assignee
Degremont SA
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/313—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit
    • B01F25/3131—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit with additional mixing means other than injector mixers, e.g. screens, baffles or rotating elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/44—Mixers in which the components are pressed through slits
    • B01F25/441—Mixers in which the components are pressed through slits characterised by the configuration of the surfaces forming the slits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/45—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads
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    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/45—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads
    • B01F25/452—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces
    • B01F25/4521—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces the components being pressed through orifices in elements, e.g. flat plates or cylinders, which obstruct the whole diameter of the tube
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S261/00—Gas and liquid contact apparatus
    • Y10S261/75—Flowing liquid aspirates gas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/87571—Multiple inlet with single outlet
    • Y10T137/87587—Combining by aspiration

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for the rapid mixing of two fluids, applicable in particular in water treatment for carrying out the injection and the "on-line" mixing of the water to be treated and of reagents such as, for example polymers, acids, bases, etc ... or to perform more complex operations such as coagulation.
  • reagents such as, for example polymers, acids, bases, etc ... or to perform more complex operations such as coagulation.
  • the present invention overcomes these drawbacks by making it possible in particular to produce both an instantaneous and homogeneous mixture of concentrated solutions of reagents, injected at a low flow rate relative to the flow rate of water to be treated, with a relatively low pressure drop for a gradient very important speed, this being defined by the square root of the quotient of the power dissipated in the fluid and of the product of the volume of the mixing zone by the viscosity of the fluid.
  • the apparatus according to the invention intended for effecting rapid mixing "in line" of two fluids A and B is characterized in that it comprises at least one nozzle for injecting a secondary fluid disposed in the piping in which flow / primary fluid A, the nozzle being provided with a diaphragm arranged and dimensioned so as to create, at the outlet of the nozzle, a fluid current oriented radially allowing the rapid mixing of the two fluids in a space of very small dimension .
  • the secondary fluid consists of a mixture (kA + B) of a fraction k of the primary fluid A and of the fluid B.
  • the secondary fluid consists of the only fluid B.
  • the diaphragm consists of a crown arranged around the nozzle.
  • the diaphragm consists of a plate having orifices and serving to support the nozzle
  • a pipe 1 flows, at a certain flow rate, a fluid A to which must be mixed a fluid B conveyed by a pipe 2 opening into the pipe 1.
  • the secondary fluid (B or kA + B) is introduced into a nozzle 3 disposed in the pipe 1, with a view to mixing it with the primary fluid A.
  • the nozzle 3 is provided, at its periphery, also in accordance with the invention, with a diaphragm constituted either by a crown 4 as in the example treated in FIG. 3, or by a circular plate 5 pierced with orifices 5a as shown in FIG. 4, crown and plate being arranged around the nozzle.
  • the distance d between the external surface of the nozzle of diameter D and the external edge of the crown is at least equal to 0.3 D.
  • the distance d between the external surface of the nozzle of diameter D and the edge turned towards the nozzle of the orifices that the plate has is at least equal to 0.3 D, this whatever the shape and the number of orifices 5a.
  • the radial diffusion of the secondary fluid B or kA + B in the primary fluid A is independent of the shape of the diaphragm, of the overall pressure drop of the system, of the flow rate or of the speed of flow of primary fluid A through piping 1.
  • a pipe 2 brings the fluid B to the inlet of the nozzle, the nozzle being thus traversed by the fluid B and a part k, 1 to 15% for example fluid A; the pressure drop of the assembly determining the relative flow rates of the fluids A and B through the nozzle, One obtains, under these conditions, a mixture in two phases, the first being carried out in the nozzle itself, the second, radially as described above, at the outlet of the nozzle.
  • the nozzle 3 constitutes , as shown in Fig. 2 the end of the fluid injection pipe 2 B, so that all the flow of fluid B, and only this flow, passes through the nozzle.
  • An apparatus according to the invention was used to mix reagent B at a flow rate of 75 1 / h at a stream of water A flowing in a pipe of diameter equal to 142 mm at a flow rate of 50 to 150 m 3 / h.
  • the apparatus included a nozzle with a diameter D equal to 54 mm provided with a crown-shaped diaphragm, the distance d between the outer surface of the nozzle and the outer edge of the crown, ranging from 20 to 30 mm.
  • Fluid B was mixed in fluid A in 0.05 to 0.15 seconds over a pipe length of 2 cm, with a pressure drop of 0.20 to 5 m and a speed gradient at 20 ° C from 4,000 s-1 to 35,000 s-1 .
  • the mixing was therefore carried out with remarkable rapidity, over an extremely reduced length of piping, with relatively low pressure drops for a very large speed gradient.

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Abstract

Appareil pour le mélange rapide «en ligne» de deux fluides: un fluide primaire A et un fluide B, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une buse (3) d'injection d'un fluide secondaire constitué par un mélange (kA + B) d'une fraction (k) du fluide primaire A et du fluide B ou par le seul fluide B, cette buse étant disposée dans la tuyauterie (1) dans laquelle s'écoule le fluide primaire A et munie d'un diaphragme (4) agencé et dimensionné de telle sorte qu'il se crée, à la sortie de la buse, un courant fluide (6) orienté radialement, permettant le mélange rapide des deux fluides dans une zone de dimensions très réduites.

Description

  • La présente invention concerne un appareil pour le mélange rapide de deux fluides, applicable en particulier en traitement des eaux pour réaliser l'injection et le mélange "en ligne" de l'eau à traiter et de réactifs tels que par exemple polymères, acides, bases, etc... ou pour effectuer des opérations plus complexes comme la coagulation.
  • En traitement des eaux il est souvent nécessaire d'injecter dans l'eau à traiter et de mélanger à cette eau des solutions concentrées de réactifs, le débit de la solution injectée étant faible par rapport au débit d'eau à traiter, souvent inférieur à 1 %.
  • Divers appareils ont déjà été décrits qui permettent de réaliser ce mélange en ligne : cannes d'injection, systèmes à chicanes ou à ailettes, éjecteurs, etc... Ces différents systèmes présentent des inconvénients : ainsi, lorsqu'on utilise des cannes d'injection ou des systèmes combinant cannes et diaphragmes, le mélange s'effectue sur une grande longueur de tuyauterie, égale de 3 à 100 fois le diamètre de ladite tuyauterie, pour une qualité de mélange médiocre ; lorsque l'on utilise des systèmes à ailettes, chicanes ou lamelles ou un éjecteur, la qualité du mélange est plus ou moins bonne mais le mélange s'effectue sur une longueur de tuyauterie encore assez importante, égale de 2 à 6 fois le diamètre de ladite tuyauterie avec, en outre, des pertes de charge relativement élevées, allant de 1 à 7 mètres de colonne d'eau. En outre, aucun de ces sytèmes ne permet de mélanger directement deux fluides quand le débit de l'un de ces fluides est très faible par rapport au débit de l'autre, par exemple inférieur à 0,01 %.
  • La présente invention pallie ces inconvénients en permettant notamment de réaliser à la fois un mélange instantané et homogène de solutions concentrées de réactifs, injectées à faible débit par rapport au débit d'eau à traiter, avec une perte de charge relativement faible pour un gradient de vitesse très important, celui-ci étant défini par la racine carrée du quotient de la puissance dissipée dans le fluide et du produit du volume de la zone de mélange par la viscosité du fluide.
  • L'appareil suivant l'invention, destiné à effectuer le mélange rapide "en ligne" de deux fluides A et B est caractérisé en ce qu'il comporte au moins une buse d'injection d'un fluide secondaire disposée dans la tuyauterie dans laquelle s'écoule/iÎuide primaire A, la buse étant munie d'un diaphragme agencé et dimensionné de façon à créer, à la sortie de la buse, un courant fluide orienté radialement permettant le mélange rapide des deux fluides dans un espace de dimension très réduite.
  • Dans une disposition préférée de l'invention, le fluide secondaire est constitué par un mélange (kA + B) d'une fraction k du fluide primaire A et du fluide B.
  • Dans une autre disposition de l'invention, le fluide secondaire est constitué par le seul fluide B.
  • Suivant une forme de réalisation de l'invention, le diaphragme consiste en une couronne disposée autour de la buse.
  • Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, le diaphragme consiste en une plaque comportant des orifices et servant de support à la buse
  • Les divers caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de quelques unes de ses formes possibles de réalisation données uniquement à titre d'exemples non limitatifs.
  • Au cours de cette description, on se réfère au dessin ci-joint sur lequel :
    • Les Fig. 1 et 2 sont des vues schématiques en coupe d'un appareil suivant l'invention,
    • Les Fig. 3 et 4 sont des vues en plan, dans deux formes de réalisation, du diaphragme dont est munie la buse d'injection.
  • Dans une canalisation 1 s'écoule, suivant un certain débit, un fluide A auquel doit être mélangé un fluide B véhicule par une canalisation 2 débouchant dans la canalisation 1.
  • Conformément à l'invention, le fluide secondaire (B ou kA + B) est introduit dans une buse 3 disposée dans la canalisation 1, en vue de son mélange avec le fluide primaire A.
  • La buse 3 est munie, à sa périphérie, également conformément à l'invention, d'un diaphragme constitué, soit par une couronne 4 comme dans l'exemple traité à la Fig. 3, soit par une plaque circulaire 5 percée d'orifices 5a comme le montre la Fig. 4, couronne et plaque étant disposées autour de la buse.
  • Dans le cas où le diaphragme consiste en une couronne, la distance d entre la surface externe de la buse de diamètre D et le bord extérieur de la couronne est au moins égale à 0,3 D.
  • Dans le cas où le diaphragme consiste en une plaque perforée, la distance d entre la surface externe de la buse de diamètre D et le bord tourné vers la buse des orifices que comporte la plaque, est au moins égale à 0,3 D, ceci quels que soient la forme et le nombre des orifices 5a.
  • Il se crée, dans ces conditions, autour de la buse d'injection du fluide secondaire B ou kA + B dans le fluide primaire A, entre le diaphragme et l'extrémité de la buse, une dépression redressant le cône de diffusion du fluide secondaire B ou kA + B à la sortie de la buse, entraînant une diffusion radiale, représentée schématiquement en 6, du fluide secondaire B ou kA + B dans le fluide primaire A. Il se produit alors un mélange instantané des deux fluides. Ce mélange s'effectue, en outre, sur une longueur L très faible de tuyauterie, égale à 10 à 20 % de la valeur du diamètre de cette tuyauterie.
  • Grâce aux dispositions adoptées suivant l'invention, la diffusion radiale du fluide secondaire B ou kA + B dans le fluide primaire A est indépendante de la forme du diaphragme, de la perte de charge globale du système, du débit ou de la vitesse d'écoulement du fluide primaire A dans la tuyauterie 1.
  • Du fait de la rapidité avec laquelle il se produit, le mélange s'effectue avec des gradients de vitesse importants pour des pertes de charge relativement faibles.
  • Dans le cas traité à la Fig 1, où le fluide secondaire est constitué par un mélange kA + B d'une fraction k du fluide primaire A et du fluide B, c'est-à-dire où le débit du fluide B est relativement faible, mais au moins égal à 0.0005% du débit du fluide A, une tuyauterie 2 amène le fluide B à l'entrée de la buse, la buse étant ainsi traversée par le fluide B et une partie k, 1 à 15 % par exemple du fluide A ; la perte de charge de l'ensemble déterminant les débits relatifs des fluides A et B à travers la buse, On obtient, dans ces conditions, un mélange en deux phases, la première s'effectuant dans la buse elle-même, la seconde, radialement comme décrit plus haut, à la sortie de la buse.
  • Dans le cas où le fluide secondaire est constitué par le seul fluide B, c'est-à-dire où le débit du fluide B est relativement important, par exemple supérieur à 1 % par rapport à celui du fluide A, la buse 3 constitue, comme le montre la Fig. 2 l'extrémité de la tuyauterie 2 d'injection du fluide B,de façon à ce que tout le débit du fluide B, et seul ce débit, passe à travers la buse.
  • L'exemple suivant montre l'excellence des résultats obtenus grâce à un appareil suivant l'invention.
  • On a utitise un appareil suivant l'invention pour mélanger un réactif B sous un débit de 75 1/h à un courant d'eau A s'écoulant dans une tuyauterie de diamètre égal à 142 mm sous un débit de 50 à 150 m3/h.
  • L'appareil comportait une buse de diamètre D égal à 54 mm munie d'un diaphragme en forme de couronne, la distance d entre la surface extérieure de la buse et le bord extérieur de la couronne, allant de 20 à 30 mm.
  • On a effectué le mélange du fluide B dans le fluide A en 0,05 à 0,15 seconde sur une longueur de tuyauterie de 2 cm, avec une perte de charge de 0,20 à 5 m et un gradient de vitesse à 20°C de 4 000s-1 à 35 000s-1.
  • Le mélange a donc été réalisé avec une remarquable rapidité, sur une longueur extrêmement réduite de tuyauterie, avec des pertes de charge relativement faibles pour un très important gradient de vitesse.

Claims (8)

1. Appareil pour le mélange rapide "en ligne" de deux fluides : un fluide primaire A et un fluide B, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une buse (3) d'injection d'un fluide secondaire constitué par un mélange (kA + B) d'une fraction (k) du fluide primaire A et du fluide B ou par le seul fluide B, cette buse étant disposée dans la tuyauterie (1) dans laquelle s'écoule le fluide primaire A et munie d'un diaphragme (4) agencé et dimensionné de telle sorte qu'il se crée, à la sortie de la buse, un courant fluide (6) orienté radialement, permettant le mélange rapide des deux fluides dans une zone de dimensions très réduites.
2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme dont est munie la buse d'injection (3) consiste en une couronne (4) disposée autour de la buse.
3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme dont est munie la buse d'injection (3) consiste en une plaque (5) percée d'orifices (5a) et disposée autour de la buse.
4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la distance (d) entre la surface extérieure de la buse de diamètre D et le bord externe de la couronne constituant le diaphragme est au moins égale à 0,3 D.
5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que la distance (d) entre la surface extérieure de la buse de diamètre D et le bord tourné vers la buse,des orifices (5a) que comporte la plaque perforée (5) constituant le diaphragme,est au moins égale à 0,3 D.
6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas où le débit du fluide B est relativement plus faible que celui du fluide A, le fluide B est amené à l'entrée de la buse d'injection de ce fluide dans le fluide A.
7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas où le débit du fluide B est relativement important par rapport à celui du fluide A, la buse d'injection du fluide B constitue l'extrémité de la tuyauterie (2) d'injection du fluide B dans le fluide A.
8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange des deux fluides se produit dans une zone dont la longueur (L) s'établit entre 10 et 20 % du diamètre de la tuyauterie (1) dans laquelle s'écoule le fluide A.
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