EP0249668B1 - Appareil pour la séparation centrifuge d'un mélange de phases - Google Patents

Appareil pour la séparation centrifuge d'un mélange de phases Download PDF

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EP0249668B1
EP0249668B1 EP86401297A EP86401297A EP0249668B1 EP 0249668 B1 EP0249668 B1 EP 0249668B1 EP 86401297 A EP86401297 A EP 86401297A EP 86401297 A EP86401297 A EP 86401297A EP 0249668 B1 EP0249668 B1 EP 0249668B1
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B5/00—Other centrifuges
    • B04B5/12—Centrifuges in which rotors other than bowls generate centrifugal effects in stationary containers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B5/00—Other centrifuges
    • B04B5/12—Centrifuges in which rotors other than bowls generate centrifugal effects in stationary containers
    • B04B2005/125—Centrifuges in which rotors other than bowls generate centrifugal effects in stationary containers the rotors comprising separating walls

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for the centrifugal separation of a mixture of phases according to the method described in FR-A 2 468 410.
  • FR-A 2 468 410 also describes an apparatus comprising, in a fixed enclosure, a rotating assembly constituted by a treatment rotor with perforated discs angularly offset from one to the other, upstream by a rotary distributor and downstream by a fan, the mixture to be treated being directed by the rotary distributor which transforms the upstream pressure drop due to the fan into a helical speed greater than the speed of rotation of the rotor, through the openings of the discs to close vivid helical veins, which are separated by dead helical blades trapped in the rotor and rotating at substantially the same speed as the latter, blades in which the heavy phase to be separated travels between the discs to the fixed part of the enclosure where it is collected and disposed of.
  • the mixture to be treated and the heavy phase circulate against the current.
  • this device being assumed to have a vertical axis, the fan chamber is arranged above the rotor while the sheath or suction chamber is located below; the mixture to be treated therefore circulates from the bottom to the top, while the heavy phase precipitated on the wall of the fixed enclosure must circulate from the top to the bottom outside of said sheath.
  • the functional clearance provided between the rotor and deflectors equipping the enclosure at its periphery and the clearance clearance of the heavy phase formed between these deflectors and the fixed wall of this enclosure are the seat of a leakage flow from the bottom up.
  • FR-A 2 522 528 provides small axial blades at the periphery, blades which can be fixed or rotating.
  • the present invention aims to improve the conditions for evacuating the heavy phase extracted by virtue of a positive assistance from the leakage flow, which hitherto has had an antagonistic effect. It then proposes a new organization of the apparatus thanks to which the leakage flow (combined with the main flow) and the flow of the heavy phase are established on the equicurrent model and develop a final cyclone phenomenon to deposit the heavy phase without contact with the wall. Therefore, all types of mixtures can now be treated with an exceptional final separation efficiency simply by selecting in advance either the counter-current device or the equicurrent device and possibly by applying to the selected device the aforementioned or other improvements.
  • the apparatus of the invention comprises, in a fixed enclosure, like the aforementioned known apparatus, a rotating assembly constituted by a treatment rotor with perforated discs angularly offset from one to the other, upstream by a rotary distributor. and downstream by a fan with possible interposition of a rotary rectifier.
  • the treatment rotor is interposed between an upstream suction chamber of the mixture to be treated and a downstream chamber collecting the separated gas phase
  • the rotor comprising a coaxial hollow tubular shaft which communicates through extreme openings this collecting chamber with the fan chamber, which is separated in the enclosure by a partition from the suction chamber, while the collecting chamber is separated in the enclosure by a partitioning, on the one hand, of the peripheral zone into which the separated heavy phase arrives and a helical leakage flow is established in the same axial direction as the main flow of the mixture through the rotor, on the other hand , a conical extension of the enclosure forming a cyclone and receiving the leakage flow charged with heavy phase to trap and collect it.
  • the upstream suction chamber comprises a tangential intake manifold.
  • the partitioning of the downstream collecting chamber of the light phase comprises a bowl, the cylindrical wall of which substantially extends the peripheral envelope of the openings of the discs and is connected by a rounded deflection to a bottom surrounding the tubular shaft in the vicinity of its openings.
  • the device illustrated by the drawing has a vertical axis, but it is obvious that this condition is not an imperative obligation since the axis can be oblique, or in some cases horizontal.
  • the disks 49.1 to 49.6 which are not limited to six in the example shown, are separated from each other at constant pitch.
  • the openings 48 of each disc preferably trapezoidal, are distributed in an equiangle, extend from the center towards the periphery (widening in this particular case) and are separated by solid parts 59.
  • the discs 49 are angularly offset from one to the next or to the previous one, in such a way that the openings are no longer located opposite one another, but gradually define the helical envelopes of preferred slope with respect to the rotor.
  • the rotor 24 divides the mixture to be treated into a plurality of interlayer dead helical veins.
  • Such prominent elements protrude only in the dead blades and should not appear as faintly as it is in the living veins that they risk destroying or disturbing. Said prominent elements cooperate with the solid parts 59 to hold the dead blades trapped in the rotor, to confine in these blades the heavy particles which escape from the living veins and to positively guide said particles towards the periphery.

Landscapes

  • Centrifugal Separators (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un appareil pour la séparation centrifuge d'un mélange de phases selon le procédé décrit dans FR-A 2 468 410.
  • FR-A 2 468 410 décrit également un appareil comportant, dans une enceinte fixe, un équipage tournant constitué par un rotor de traitement à disques ajourés décalés angulairement de l'un à l'autre, en amont par un distributeur rotatif et en aval par un ventilateur, le melange à traiter étant dirigé par le distributeur rotatif qui transforme la chute de pression amont due au ventilateur en une vitesse hélicoïdale supérieure à la vitesse de rotation du rotor, à travers les ajourages des disques pour fermer des veines hélicoïdalés vives, lesquelles sont séparées par des lames hélicoïdales mortes piégées dans le rotor et tournant sensiblement à la même vitesse que celui-ci, lames dans lesquelles la phase lourde à séparer s'achemine entre les disques jusqu'à la partie fixe de l'enceinte où elle est collectée et évacuée.
  • Dans cet appareil connu, le mélange à traiter et la phase lourde circulent à contre-courant. En effet, cet appareil étant supposé à axe vertical, la chambre du ventilateur est disposée au-dessus du rotor alors que la gaine ou chambre d'aspiration se trouve située en-dessous ; le mélange à traiter circule donc du bas vers le haut, tandis que la phase lourde précipitée sur la paroi de l'enceinte fixe doit circuler du haut vers le bas à l'extérieur de ladite gaine. Or, le jeu fonctionnel prévu entre le rotor et des déflecteurs équipant l'enceinte à sa périphérie et le jeu d'évacuation de la phase lourde ménagé entre ces déflecteurs et la paroi fixe de cette enceinte sont le siège d'un écoulement de fuite du bas vers le haut. Cet écoulement de fuite peut dans certains cas remettre en suspension dans la phase légère séparée une partie de la phase lourde parvenue à la périphérie, ce qui nuit au rendement de la séparation. Pour remédier à cet inconvénient, FR-A 2 522 528 prévoit des petites pales axiales à la périphérie, pales qui peuvent être fixes ou tournantes.
  • D'autres moyens évitant la remise en suspension de la phase lourde sont préconisés dans FR-A 2 535 215 et FR-A 2 535 216.
  • Tous ces moyens d'assistance donnent des résultats satisfaisants avec certains types de mélanges, mais ils ne sont pas totalement efficaces avec d'autres types de mélanges.
  • La présente invention vise à améliorer les conditions d'évacuation de la phase lourde extraite grâce à une assistance positive de l'écoulement de fuite, lequel avait jusqu'à présent un effet antagoniste. Elle propose alors une nouvelle organisation de l'appareil gràce à laquelle l'écoulement de fuite (conjugué avec l'écoulement principal) et l'écoulement de la phase lourde s'établissent sur le modèle équicourant et développent un phénomène final de cyclone pour déposer la phase lourde sans contact avec la paroi. Dès lors, tous les types de mélanges peuvent maintenant être traités avec un rendement de séparation final exceptionnel simplement en sélectionnant à l'avance soit l'appareil à contre-courant, soit l'appareil équicourant et éventuellement en appliquant à l'appareil sélectionné les perfectionnements précités ou d'autres.
  • L'appareil de l'invention comporte, dans une enceinte fixe, comme l'appareil connu précité, un équipage tournant constitué par un rotor de traitement à disques ajourés décalés angulairement de l'un à l'autre, en amont par un distributeur rotatif et en aval par un ventilateur avec interposition éventuelle d'un redresseur rotatif.
  • Toutefois, il s'en distingue par le fait que, conformément à l'invention, le rotor de traitement est interposé entre une chambre amont d'aspiration du mélange à traiter et une chambre aval collectrice de la phase gazeuse séparée, le rotor comportant un arbre tubulaire creux coaxial qui met en communication à travers des ouvertures extrêmes cette chambre collectrice avec la chambre du ventilateur, laquelle est séparée dans l'enceinte par une cloison de la chambre d'aspiration, tandis que la chambre collectrice est séparée dans l'enceinte par un cloisonnement, d'une part, de la zone périphérique dans laquelle parvient la phase lourde séparée et s'établit un écoulement hélicoïdal de fuite dans le même sens axial que l'écoulement principal du mélange à travers le rotor, d'autre part, d'un prolongement conique de l'enceinte formant cyclone et recevant l'écoulement de fuite chargé de phase lourde pour piéger et recueillir celle-ci.
  • De préférence, la chambre amont d'aspiration comporte une tubulure d'admission tangentielle.
  • Le cloisonnement de la chambre aval collectrice de la phase légère comporte une cuvette dont la paroi cylindrique prolonge sensiblement l'enveloppe périphérique des ajourages des disques et est raccordée par un arrondi de déviation à un fond entourant l'arbre tubulaire au voisinage de ses ouvertures.
  • Divers autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit.
  • Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, sur la figure unique du dessin annexé qui est une coupe axiale de l'appareil, conforme à l'invention, dont l'axe est vertical.
  • L'appareil illustré par le dessin est à axe vertical, mais il est bien évident que cette condition n'est pas une obligation impérative dès lors que l'axe peut être oblique, voire dans certains cas horizontal.
  • Cet appareil comporte une enceinte fixe 21 présentant, si l'on considère le sens d'écoulement axial F. 1 du mélange à traiter, écoulement qui est dévié dans le sens F. 2 et dirigé dans le sens F. 3 pour la phase légère séparée :
    • - une partie cylindrique 22 délimitant une chambre de traitement 23 dans laquelle est logée un rotor 24,
    • - une partie cylindrique 25 délimitant avec une cloison 26 une chambre amont d'aspiration 27, branchée par l'intermédiaire d'une tubulure 28 de préférence tangentielle sur une source de mélange à traiter et communiquant en permanence avec la chambre de traitement 23 à travers un passage annulaire central 29 défini par un rebord saillant intérieur 30,
    • - une partie tronconique 31 située du côté de la chambre de traitement 23 opposé à celui où se trouve la chambre d'aspiration 27, cette partie tronconique recueillant un écoulement de fuite du mélange en même temps que la phase lourde en provenance de la zone périphérique 32 de la chambre de traitement 23 et formant un cyclone 33 au sein duquel ladite phase lourde s'achemine dans le sens axial F.4 qui est le même que celui F.1 du mélange à traiter à travers le rotor,
    • - une partie tronconique 34 prolongeant la partie cylindrique 25 et séparée de la chambre d'aspiration 27 par la cloison 26, cette partie tronconique formant convergent,
    • - une volute 35 pour un rotor d'aspirateur 36, la volute communiquant dans sa zone centrale avec le convergent 34 et dans sa zone périphérique avec une tubulure de refoulement 37,
    • - deux croisillons 38 et 39 fixés respectivement dans les parties tronconiques extrêmes 31 et 34, ces croisillons étant munis de paliers 40 et 41 pour supporter les tourillons extrêmes 42 et 43 d'un arbre menant 44 qui est normalement relié à un moteur,
    • - une cuvette extérieure 45 délimitant une chambre aval 46 de collecte de la phase légère à la sortie du rotor 24, la paroi cylindrique 47 de cette cuvette prolongeant sensiblement l'enveloppe extérieure d'ajourages 48 des disques 49 du rotor et cette paroi 47 étant reliée par un arrondi de déviation 50 à un fond 51 entourant une portion tubulaire 52 de l'arbre 44 portant les disques 49 du rotor, portion qui forme un conduit coaxial 53 d'évacuation de la phase légère entre la chambre aval 46 et le convergent 34 avec lesquels il communique par des ouvertures 54 et 55 respectivement,
    • - et éventuellement, une cuvette intérieure 56 dont la paroi cylindrique 57 prolonge sensiblement l'enveloppe intérieure des ajourages 48 des disques 49 du rotor, le fond 58 de cette cuvette intérieure 56 et le fond 51 de la cuvette extérieure 45 entourant au plus près sans y toucher la portion tubulaire 52 de l'arbre 44,de façon que les ouvertures 54 de cette portion débouchent dans la culotte formée par ces cuvettes.
  • Ainsi que cela est bien connu par FR-A 2 468 410 pour le rotor 24, es disques 49.1 à 49.6 qui sont au nombre non limitatif de six dans l'exemple représenté, sont écartés l'un de l'autre à pas constant. Les ajourages 48 de chaque disque, de préférence trapézoïdaux, sont répartis de façon équiangle, s'étendent du centre vers la périphérie (en s'élargissant dans ce cas particulier) et sont séparés par des parties pleines 59. Les disques 49 sont décalés angulairement de l'un au suivant ou au précédent, de telle façon que les ajourages ne se trouvent plus situés en regard les uns des autres, mais définissent de proche en proche des enveloppes hélicoïdales de pente privilégiée par rapport au rotor. A l'intérieur de telles enveloppes virtuelles s'écoulent des veines hélicoïdales vives du mélange à traiter, si celles-ci sont convenablement mises en vitesse par un distributeur rotatif constitué, par exemple, par le premier disque 49.1 ; ce distributeur transforme, en effet, la chute de pression amont dans la chambre d'aspiration 27 en une vitesse hélicoïdale du mélange, de telle façon que la vitesse de rotation relative des veines vives due à cette action s'ajoute dans le même sens à la vitesse de rotation positive du distributeur, donc du rotor. A l'extérieur de ces enveloppes virtuelles, stagnent ou séjournent des lames fluides hélicoïdales mortes maintenues prisonnières du rotor 24 entre les parties pleines 59 des disques.
  • En réalité, le rotor 24 divise le mélange à traiter en une pluralité de veines hélicoïdales mortes intercalaires. Les veines vives en traversant ce rotor suivant lesdites trajectoires hélicoïdales, s'écoulent à une vitesse tangentielle absolue évidemment bien supérieure à celle dudit rotor, alors que les lames mortes , en étant prisonnières de celui-ci, circulent sensiblement à sa vitesse tangentielle.
  • Dans ces conditions, on constate que pour un rotor tournant à la même vitesse angulaire " w " , la vitesse tangentielle absolue d'une particule située à une distance radiale R est de :
    • ° w R si cette particule se trouve dans une lame morte,
    • ° ω R+ VT si cette particule se trouve dans une veine vive défilant par rapport au rotor à la vitesse tangentielle relative sensiblement constante "VT ".
  • Dès lors, la force centrifuge d'une telle particule est de :
    • ° Fcu =ω2R dans une lame morte ° FCH =ω 2R dans une Lame morte ° et F CV = (ω R + VT) 2 R
      dans une veine vive
    • Il est clair que la force centrifuge Fcvdans les veines vives évolue en variation conique le long des rayons. Elle est minimale en un point où la vitesse tangentielle relative de la veine est égale à la vitesse tangentielle absolue du rotor ; en ce point, la force centrifuge minimale est égale à 4co2R et par conséquent à quatre fois le champ centrifuge qui règne sur la circonférence de même rayon dans les lames mortes. La force centrifuge est très intense au centre ; elle décroît jusqu'au point où elle atteint son minimum ; puis elle croît à nouveau jusqu'à la périphérie où elle peut revenir à des valeurs extrêmement intenses.
    • Il en résulte que les particules lourdes des veines vives 19 soumises à une force centrifuge très intense se précipitent vers la périphérie en ralentissant et en s'agglutinant avant de parvenir à la zone annulaire de force minimale puis, à partir de cette zone, accélèrent à nouveau en plus grosses masses vers la périphérie. Mais, au cours de ce déplacement centrifuge, les particules lourdes migrent vers les lames mortes dans lesquelles elles se trouvent captées et piégées; elles sont alors prises en charge par une force centrifuge, certes plus faible, mais suffisamment élevée pour les amener inéluctablement vers la périphérie ; au cours de cet acheminement, des éléments proéminents s'opposent à l'échappement des particules lourdes vers les veines vives et participent positivement à leur acheminement vers la périphérie où elles se précipitent sur la partie cylindrique 22 de l'enceinte 21.
  • De tels éléments proéminents font saillie uniquement dans les lames mortes et ne doivent pas apparaître aussi faiblement que ce soit dans les veines vives qu'ils risquent de détruire ou de perturber. Lesdits éléments proéminents coopèrent avec les parties pleines 59 pour maintenir les lames mortes prisonnières du rotor, pour confiner dans ces lames les particules lourdes qui s'échappent des veines vives et pour guider positivement lesdites particules vers la périphérie.
  • Suivant la forme de réalisation préférentielle, mais non restrictive, représentée sur le dessin, chaque partie pleine 59 d'un disque comporte alors en bordure des ajourages 48 voisins :
    • - un rebord 60 sensiblement radial qui fait saillie sur la face amont de cette partie pleine (si l'on considère le sens d'écoulement axial F1 des veines vives) et en arrière (si l'on considère le sens de rotation des disques,
    • - un rebord 61 sensiblement radial qui fait saillie sur la face aval de cette partie pleine et en avant ; éventuellement, les ajourages 48 peuvent être bordés par des rebords périphériques arqués 62 et 63 faisant saillie sur les faces amont et aval des disques, ces rebords arqués 62, 63 prolongeant les rebords radiaux 60, 61 sans pénétrer sur les parties pleines.
  • Il est important de remarquer qu'un écoulement de fuite s'établit dans la zone périphérique 32, cet écoulement étant alimenté à faible débit principalement par les lames mortes et se produisant sous forme hélicoïdale dans le sens axial F.5. Cet écoulement de fuite est donc chargé de la phase lourde séparée et s'achemine dans le même sens axial (flèches F.1 et F.5) que le mélange à travers le rotor 24. Il s'agit donc d'écoulements équicourants qui favorisent l'acheminement de la phase lourde vers la partie 31. Par ailleurs, dans cette partie, il s'établit un phénomène de cyclone alimenté par l'écoulement de fuite précité et la phase lourde se stabilise dans une zone intermédiaire (pointillé) en se précipitant vers l'extrémité rétrécie ouverte. Si l'appareil est vertical, la phase lourde est également soumise à la gravité et parvient alors plus vite à l'extrémité inférieure ouverte.

Claims (6)

1. Appareil pour la séparation centrifuge d'un mélange comprenant su moins une phase gazeuse, cet appareil comportant, dans une enceinte fixe (21), un équipage tournant constitué par un rotor de traitement (24) à disques (49) ajourés (en 48) décalés angulairement de l'un à l'autre, en amont par un distributeur rotatif (49.1) et en aval par un ventilateur (36), le mélange à traiter étant dirigé par le distributeur rotatif qui transforme la chute de pression amont due au ventilateur en une vitesse hélicoïdale supérieure à la vitesse de rotation du rotor, à travers les ajourages des disques pour former des veines hélicoïdales vives, lesquelles sont séparées par des lames héliocoïdales mortes piégées dans le rotor et tournant sensiblement à la même vitesse que celui-ci, lames dans lesquelles la phase lourde à séparer s'achemine entre les disques jusqu'à la partie fixe de l'enceinte où elle est collectée et évacuée, caractérisé en ce que le rotor de traitement (24) est interposé entre une chambre amont (27) d'aspiration du mélange à traiter et une chambre aval (46) collectrice de la phase gazeuse séparée, le rotor comportant un arbre tubulaire creux coaxial (52) qui met en communication à travers des ouvertures extrêmes (54, 55) cette chambre collectrice (46) avec la chambre (34, 35) du ventilateur, laquelle est séparée dans l'enceinte (21) par une cloison (26) de la chambre d'aspiration (27) tandis que la chambre collectrice (46) est séparée dans l'enceinte (21) par un cloisonnement (45), d'une part, de la zone périphérique (32) dans laquelle parvient la phase lourde séparée et s'établit un écoulement hélicoïdal de fuite dans le même sens axial (F.5) que celui (F.1) de l'écoulement principal du mélange à travers le rotor, d'autre part, d'un prolongement conique (31) de l'enceinte formant cyclone et recevant l'écoulement de fuite chargé de phase lourde pour piéger et recueillir celle-ci.
2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un redresseur rotatif est interposé entre le ventilateur et le rotor.
3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre amont d'aspiration (27) comporte ne tubulure d'admission tangentielle (28).
4. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le cloisonnement de le chambre aval (46) collectrice de la phase légère comporte une cuvette (45) dont la paroi cylindrique (47) prolonge sensiblement l'enveloppe périphérique des ajourages (48) des disques (49) et est raccordée par un arrondi de déviation (50) à un fond (51) entourant l'arbre tubulaire (52) au voisinage de ses ouvertures (54).
5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cloisonnement de la chambre aval (46) collectrice de la phase légère comporte une deuxième cuvette (56) situées à l'intérieur de la première (45) afin de former une culotte, la paroi cylindrique (57) de cette deuxième cuvette prolongeant sensiblement l'enveloppe centrale des ajourages (48) des disques (49), tandis que son fond (58) s'étend du côté des ouvertures (54) de l'arbre tubulaire (52), opposé à celui où se trouve le fond (51) de la première cuvette (45).
6. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte (21) présente, entre la chambre amont d'aspiration (27) et la chambre du rotor (23), un rebord annulaire (30) faisant saillie à l'intérieur sur au moins toute l'épaisseur de la zone périphérique (32) recueillant la phase lourde et l'écoulement de fuite, pour contenir cet écoulement.
EP86401297A 1985-01-07 1986-06-16 Appareil pour la séparation centrifuge d'un mélange de phases Expired - Lifetime EP0249668B1 (fr)

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