EP0327430A1 - Procédé et dispositif pour l'homogénéisation d'un mélange de gaz dans un récipient - Google Patents

Procédé et dispositif pour l'homogénéisation d'un mélange de gaz dans un récipient Download PDF

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EP0327430A1
EP0327430A1 EP89400222A EP89400222A EP0327430A1 EP 0327430 A1 EP0327430 A1 EP 0327430A1 EP 89400222 A EP89400222 A EP 89400222A EP 89400222 A EP89400222 A EP 89400222A EP 0327430 A1 EP0327430 A1 EP 0327430A1
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EP
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jet
mixture
booster
ejector
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EP89400222A
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Jacques Chaineaux
Eric Dannin
Denis Degaugue
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Charbonnages de France CDF
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Charbonnages de France CDF
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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
    • B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
    • 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
    • B01F2025/91—Direction of flow or arrangement of feed and discharge openings
    • B01F2025/919—Direction of flow or arrangement of feed and discharge openings characterised by the disposition of the feed and discharge openings
    • B01F2025/9191—Direction of flow or arrangement of feed and discharge openings characterised by the disposition of the feed and discharge openings characterised by the arrangement of the feed openings for one or more flows, e.g. for the mainflow and the flow of an additional component
    • B01F2025/91912—Direction of flow or arrangement of feed and discharge openings characterised by the disposition of the feed and discharge openings characterised by the arrangement of the feed openings for one or more flows, e.g. for the mainflow and the flow of an additional component with feed openings at the circumference of the main flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/10—Mixing gases with gases

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for homogenizing a heterogeneous mixture of 2 or more gases contained in a container of volume V under pressure P.
  • Any device which ensures the homogenization of such a mixture is characterized by performances which are themselves linked: - the time necessary for this homogenization, - to the influence of V on this time and to the maximum admissible volume which this device can homogenize, - the influence of P on this time and the maximum pressure under which homogenization can be ensured by this device and, - the energy consumed during homogenization.
  • the homogenization devices known to date can be divided into two main categories.
  • the homogenization of the gas mixture can be obtained by rolling the container into which the components of the mixture have been introduced beforehand.
  • a device is used for this purpose which ensures the rotation of the container around an axis.
  • the homogenization of the gas mixture can be obtained by circulation in a loop comprising the container itself and a pipe external to the container and provided with a circulation member (pump).
  • the invention aims to overcome the aforementioned drawbacks and limitations, and to allow rapid homogenization of gas mixtures, even when these are prepared in large volumes (greater than 1m3, even 10m3) under high pressures (which can reach or even exceed 2,500 Kpa).
  • the jet is advantageously generated by suction-ejection in an internal zone of the container.
  • the invention also provides a homogenization device for a gas mixture container, characterized in that it comprises, maintained in position inside this container, a jet generating member provided with an inlet orifice and a jet outlet orifice, both in communication with the internal volume of the container.
  • this jet generating member comprises an ejector advantageously provided with a primary circuit connected to the outlet of a booster, this ejector and this booster both having suction orifices communicating with the gas mixture.
  • the booster comprises a rotating member receiving its movement from a motor, which is for example located outside the container, or even located inside the container in the case of a mixture of non-explosive gases.
  • This single figure partially represents a container 1 to the internal wall of which is attached a homogenization device 2.
  • the container conventional in itself, comprises at least one gas inlet and / or outlet valve of any known type (not shown).
  • the device here comprises an ejector 3 with which is associated a booster 4 which are fixed to the internal wall of the container by any known suitable means; these are for example ears 5 linked to the booster and screwed or welded to the container, and a fixed beam 6 (by screwing or welding in particular) also both to the ejector and to the wall of the container.
  • a booster 4 which are fixed to the internal wall of the container by any known suitable means; these are for example ears 5 linked to the booster and screwed or welded to the container, and a fixed beam 6 (by screwing or welding in particular) also both to the ejector and to the wall of the container.
  • the ejector 3 is a static member which implements the principle of the venturi. It comprises a main (or secondary) circuit C1 comprising a suction zone 3A and an ejection zone 3B respectively provided with a suction port 7 and an ejection port 8, both in communication with the internal volume of the container. This injector also comprises a control (or primary) circuit C2 which opens out between the suction and ejection zones.
  • This injector by injecting a gas flow D into the control circuit C2, induces a gas flow D ′ in the main circuit.
  • the booster comprises a rotating member or rotor (not shown) driven in rotation by a drive shaft 9 which, in the example shown, passes through the wall of the container to engage with a drive motor shown diagrammatically at 10.
  • this shaft does not pass through the wall of the container and receives its movement from a motor also located inside the container, for example attached to the booster.
  • the booster has a suction port 11 communicating with the gas mixture and a discharge port 12 connected to the input of the control circuit C2 of the ejector.
  • the booster is characterized by its flow D, by the speed of rotation of its rotor and by the difference in pressure of the gases which it sucks on the one hand, and which it discharges, on the other hand.
  • the principle of operation of this device is based on the creation of a turbulent (forced) movement of the gases in the container.
  • the gases admitted to the suction of the booster 4 are taken from the container and are discharged into the primary circuit of the ejector 3, while the secondary circuit of the ejector is supplied by the gases withdrawn and discharged directly into the container.
  • the gas is returned to the container in the form of a jet of gas of speed v and the ejector is arranged in such a way that this jet is approximately parallel to the largest dimension of the container.
  • the container is for example an elongated bottle having a longitudinal axis of symmetry: the ejector is then preferably arranged parallel to this axis.
  • the performance of the device comes from tests which consisted in measuring the time necessary for the homogenization of air-helium or air-CO2 mixtures (density ratio close to 8), contained in a spherical container of 2m3, under a pressure between 200 and 2600 kPa (in fact the principle of the invention places no limit on this pressure).
  • the helium was introduced at the top of the container (and the CO2 at mid-height) and very slowly so as to have an initially very heterogeneous mixture.
  • the initial heterogeneity and the final homogeneity of the mixture were characterized by the oxygen content, measured by means of a paramagnetic analyzer (accuracy 0.1% volume), of samples of the mixture taken at the top (a), at mid-height (b) and bottom (c) of the container, at time t.
  • the effectiveness of the device is based on sufficient dimensions of the turbulence zone created by the jet (in fact the length of this zone must be equal to the length of the container along the axis of the jet).
  • the turbulence zone will be longer the greater the momentum of the jet and therefore its exit speed.
  • the outlet speed is an increasing function of the flow rate of the booster which is itself linked to the operating principle of the booster (vane, piston or membrane), to its dimensions and to the rotational speed of its rotor.
  • the torque required to drive the rotor must be supplied by a drive member (electric motor for example), inside or outside the container; if this member is external to the container, the torque can be transmitted either directly or by means of a magnetic coupling (without shaft 9), which simply solves the sealing problem which arises when the pressure P is higher at atmospheric pressure.
  • the principle of this coupling does not impose any limit on P.
  • the increase in P leads to an increase in the viscosity of the gas and therefore in the drive torque and the electric power consumed by the engine (for 2600 kPa, this power was less than 2 kW and the speed of rotation was close to 3000 rpm).
  • This drive torque must remain compatible with the performance of the magnetic coupling device throughout the duration of the homogenization and in particular when the engine is started.
  • the constituent materials of the device which are in contact with the gases are metals, graphite or polymeric materials and the operation of the device does not require any grease or other lubrication product, which avoids any pollution of the gas mixture.

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Abstract

1. Procédé d'homogénéisation d'un mélange de gaz préalablement introduits dans un récipient (1), caractérisé en ce que l'on génère (3), au sein même du récipient, pendant une durée prédéterminée, un jet turbulent alimenté par le mélange lui-même.

Description

  • L'invention concerne un procédé et un disposi­tif pour homogénéiser un mélange hétérogène de 2 ou plu­sieurs gaz contenu dans un récipient de volume V sous la pression P.
  • Tout dispositif qui assure l'homogénéisation d'un tel mélange est caractérisé par des performances qui sont elles-mêmes liées :
    - au temps nécessaire à cette homogénéisation,
    - à l'influence de V sur ce temps et au volume maximal admissible que peut homogénéiser ce dispositif,
    - à l'influence de P sur ce temps et à la pression maxi­male sous laquelle une homogénéisation peut être assu­rée par ce dispositif et,
    - à l'énergie consommée au cours de l'homogénéisation.
  • Les dispositifs d'homogénéisation connus à ce jour peuvent se répartir en deux grandes catégories.
  • D'une part, l'homogénéisation du mélange de gaz peut être obtenue par roulage du récipient dans lequel ont été introduits au préalable les composants du mélan­ge. On utilise en pratique, à cet effet, un dispositif qui assure la rotation du récipient autour d'un axe.
  • Un tel dispositif présente toutefois des limi­tations :
    - le volume du récipient est nécessairement limité (bou­teille de 50 à 100 l) et doit être de forme cylindrique allongée (roulage de la bouteille suivant son axe),
    - le dispositif s'avère inefficace pour certains gaz (CO₂), sauf à augmenter sensiblement le temps de rou­lage, donc le coût énergétique, et à diminuer la produc­tivité ; ceci est d'autant plus vrai que la pression du mélange est élevée.
  • D'autre part, l'homogénéisation du mélange de gaz peut être obtenue par circulation dans une boucle comprenant le récipient lui-même et une canalisation extérieure au récipient et munie d'un organe de circula­tion (pompe).
  • Une telle solution, qui pallie aux limitations du premier type de dispositifs présente toutefois un autre type de limitations :
    - l'homogénéisation est obtenue essentiellement par effet de turbulence dans la canalisation et il faut assurer la circulation d'un volume correspondant à environ 10 fois le volume du récipient ; le temps nécessaire à l'homogénéisation dépend donc à la fois du débit de l'organe de circulation et du volume V du récipient,
    - si P est supérieur à la pression atmosphérique, un problème d'étanchéité se pose au niveau de l'organe de circulation et la solution de ce problème est diffici­lement compatible avec des performances de débit élevé.
  • L'invention a pour objet de pallier aux incon­vénients et limitations précitées, et de permettre une homogénéisation rapide de mélanges de gaz, même lorsque ceux-ci sont préparés dans des volumes importants (supé­rieurs à 1m³, voire 10m³) sous des pressions élevées (pouvant atteindre, voire dépasser 2.500 Kpa).
  • Elle propose à cet effet un procédé d'homogé­néisation d'un mélange de gaz préalablement introduits dans un récipient , caractérisé en ce que l'on génè­re , au sein même du récipient,pendant une durée prédé­terminée, un jet turbulent alimenté par le mélange lui-­même.
  • Le jet est avantageusement généré par aspiration-éjection en une zone interne du récipient.
  • L'invention propose également un dispositif d'homogénéisation pour récipient de mélange de gaz, ca­ractérisé en ce qu'il comporte, maintenu en position à l'intérieur de ce récipient, un organe générateur de jet muni d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie du jet, tous deux en communication avec le volume interne du récipient.
  • De façon préférée, cet organe générateur de jet comporte un éjecteur avantageusement muni d'un cir­cuit primaire connecté à la sortie d'un surpresseur, cet éjecteur et ce surpresseur ayant tous deux des orifices d'aspiration communiquant avec le mélange de gaz. Le surpresseur comporte un organe tournant recevant son mou­vement depuis un moteur, lequel est par exemple situé à l'extérieur du récipient, voire situé à l'intérieur du récipient dans le cas d'un mélange de gaz non explosifs.
  • Des objets et caractéristiques de l'invention, ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard du dessin annexé sur lequel la figure unique est une vue schéma­tique en coupe partielle d'un récipient équipé d'un dis­positif d'homogénéisation conforme à l'invention.
  • Cette figure unique représente en partie un récipient 1 à la paroi interne duquel est fixé un dispo­sitif d'homogénéisation 2. Le récipient, classique en soi, comporte au moins un robinet d'arrivée et/ou de sortie de gaz de tout type connu (non représenté).
  • Le dispositif comporte ici un éjecteur 3 au­quel est associé un surpresseur 4 qui sont fixés à la paroi interne du récipient par tous moyens appropriés connus ; il s'agit par exemple d'oreilles 5 liées au sur­presseur et vissées ou soudées au récipient, et d'une poutre 6 fixée (par vissage ou soudage notamment) aussi bien à l'éjecteur qu'à la paroi du récipient.
  • L'éjecteur 3 est un organe statique qui met en oeuvre le principe du venturi. Il comporte un circuit principal (ou secondaire) C1 comportant une zone d'aspi­ration 3A et une zone d'éjection 3B munis respectivement d'un orifice d'aspiration 7 et d'un orifice d'éjection 8, tous deux en communication avec le volume interne du récipient. Cet injecteur comporte également un circuit de commande (ou primaire) C2 qui débouche entre les zones d'aspiration et d'éjection.
  • Cet injecteur, par l'injection d'un débit de gaz D dans le circuit de commande C2, induit un débit de gaz D′ dans le circuit principal.
  • Le surpresseur comporte un organe tournant ou rotor (non représenté) entraîné en rotation par un arbre d'entraînement 9 qui, dans l'exemple représenté, traverse la paroi du récipient pour venir en prise avec un moteur d'entraînement schématisé en 10. Dans une variante non représentée, dans le cas par exemple d'un mélange de gaz non explosible, cet arbre ne traverse pas la paroi du récipient et reçoit son mouvement d'un moteur lui aussi situé à l'intérieur du récipient, par exemple accolé au surpresseur.
  • Le surpresseur comporte un orifice d'aspiration 11 communiquant avec le mélange de gaz et un orifice de refoulement 12 connecté à l'entrée du circuit de commande C2 de l'éjecteur.
  • Le surpresseur est caractérisé par son débit D, par la vitesse de rotation de son rotor et par la diffé­rence de pression des gaz qu'il aspire d'une part, et qu'il refoule, d'autre part.
  • Le principe de fonctionnement de ce dispositif repose sur la création d'un mouvement (par jet) turbulent et forcé des gaz dans le récipient.
  • Les gaz admis à l'aspiration du surpresseur 4 sont prélevés dans le récipient et sont refoulés dans le circuit primaire de l'éjecteur 3, tandis que le circuit secondaire de l'éjecteur est alimenté par les gaz prélevés et refoulés directement dans le récipient. Le refoulement des gaz dans le récipient s'effectue sous la forme d'un jet de gaz de vitesse v et l'éjecteur est disposé de telle façon que ce jet soit à peu près parallèle à la plus grande dimension du récipient.
  • Le récipient est par exemple une bouteille allongée ayant un axe longitudinal de symétrie : l'éjec­teur est alors de préférence disposé parallèlement à cet axe.
  • Il est à noter que l'efficacité d'un éjecteur est bien connue dans une ambiance à la pression atmosphé­rique. L'invention est par contre liée à la constatation qu'un tel éjecteur peut également être mis en oeuvre avec profit dans une ambiance à pression élevée.
  • Les performances du dispositif ressortent d'es­sais qui ont consisté à mesurer le temps nécessaire à l'homogénéisation de mélanges air-hélium ou air-CO₂ (rapport des densités voisin de 8), contenus dans un récipient sphérique de 2m³, sous une pression comprise entre 200 et 2600 kPa (en fait le principe de l'invention n'impose aucune limite à cette pression).
  • L'air ayant été introduit préalablement dans le récipient, l'hélium a été introduit en haut du récipient (et le CO₂ à mi-hauteur) et très lentement de façon à avoir un mélange initialement très hétérogène.
  • L'hétérogénéité initiale et l'homogénéité finale du mélange ont été caractérisées par la teneur en oxygène, mesurée au moyen d'un analyseur paramagnétique (précision 0,1% volume), d'échantillons du mélange prélevés en haut (a), à mi-hauteur (b) et en bas (c) du récipient,au temps t.
  • Les valeurs obtenues ont été rassemblées dans le tableau, annexé ; elles montrent que le temps d'homogénéi­ sation augmente lorsque P augmente, mais que, dans le domaine de pression étudié, l'homogénéité du mélange est obtenue dans un délai inférieur ou égal à 1 minute.
  • L'efficacité du dispositif repose sur des dimensions suffisantes de la zone de turbulence créée par le jet (en fait la longueur de cette zone doit être égale à la longueur du récipient suivant l'axe du jet). La zone de turbulence sera d'autant plus longue que la quantité de mouvement du jet et donc sa vitesse de sortie seront grandes. Pour des dimensions données de l'éjecteur, la vitesse de sortie est une fonction croissante du débit du surpresseur qui est lui-même lié au principe de fonc­tionnement du surpresseur (à palettes, à piston ou à mem­brane), à ses dimensions et à la vitesse de rotation de son rotor.
  • Le couple nécessaire à l'entraînement du rotor doit être fourni par un organe d'entraînement (moteur électrique par exemple), intérieur ou extérieur au réci­pient ; si cet organe est extérieur au récipient, le couple peut être transmis soit directement, soit au moyen d'un accouplement magnétique (sans arbre 9), ce qui résout de façon simple le problème d'étanchéité qui se pose lorsque la pression P est supérieure à la pression atmosphérique. Le principe de cet accouplement n'impose pas de limite à P. Toutefois, l'augmentation de P entraîne une augmenta­tion de la viscosité du gaz et donc du couple d'entraîne­ment et de la puissance électrique consommée par le mo­teur (pour 2600 kPa, cette puissance était inférieure à 2 kW et la vitesse de rotation était voisine de 3000t/min). Ce couple d'entraînement doit rester compatible avec les performances du dispositif d'accouplement magnétique pendant toute la durée de l'homogénéisation et en parti­culier au moment du démarrage du moteur.
  • Les matériaux constitutifs du dispositif qui sont au contact des gaz sont des métaux, du graphite ou des matériaux polymériques et le fonctionnement du dispositif ne requiert aucune graisse ou autre produit de lubrifica­tion, ce qui évite toute pollution du mélange de gaz.
    Figure imgb0001

Claims (10)

1. Procédé d'homogénéisation d'un mélange de gaz préalablement introduits dans un récipient (1), ca­ractérisé en ce que l'on génère (3), au sein même du récipient pendant une durée prédéterminée, un jet turbu­lent alimenté par le mélange lui-même.
2. Procédé selon la revendication 1, caracté­risé en ce que ce jet est généré (3) par aspiration-­éjection en une zone interne du récipient.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la re­vendication 2, caractérisé en ce que le volume interne du récipient étant d'au moins 1m³ et sa pression interne étant comprise approximativement entre 100 et 2600 kPa, on génère le jet turbulent pendant une durée au plus égale à une minute environ.
4. Dispositif d'homogénéisation pour récipient (1) de mélange de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte, maintenu en position à l'intérieur de ce récipient, un organe générateur de jet (3) muni d'un orifice d'entrée (7) et un orifice de sortie de jet (8), tous deux en communication avec le volume interne du récipient.
5. Dispositif selon la revendication 4, carac­térisé en ce que l'organe générateur de jet est un éjec­teur (3) comportant un tronçon d'aspiration (3A) et un tronçon d'éjection (3B).
6. Dispositif selon la revendication 5, carac­térisé en ce que l'éjecteur comporte un circuit primaire (C2) qui débouche entre les tronçons d'aspiration (3A) et d'éjection (3B) formant conjointement un circuit secon­daire (C1), ce circuit primaire étant connecté à la sor­tie d'un surpresseur (4) interne au récipient muni d'un orifice d'aspiration (11) communiquant avec le mélange de gaz.
7. Dispositif selon la revendication 6, carac­ térisé en ce que le surpresseur (4) a une arbre d'entraî­nement (9) lui-même entraîné en rotation par un moteur (10) disposé à l'extérieur du récipient (1).
8. Dispositif selon la revendication 6, carac­térisé en ce que le surpresseur est entraîné en mouvement par un moteur extérieur au récipient au moyen d'un accou­plement magnétique.
9. Dispositif selon la revendication 6, carac­térisé en ce que le surpresseur a un arbre d'entraîne­ment lui-même entraîné en rotation par un moteur disposé à l'intérieur du récipient.
10. Dispositif selon l'une quelconque des re­vendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'éjecteur (3) est orienté parallèlement à la plus grande dimension du récipient.
EP89400222A 1988-01-27 1989-01-26 Procédé et dispositif pour l'homogénéisation d'un mélange de gaz dans un récipient Withdrawn EP0327430A1 (fr)

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