FR2618083A1 - Dispositif de melange de deux fluides dans une cuve - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne le mélange de fluides dans une cuve. Dans les procédés existants, les trajectoires suivies par les fluides ont un caractère très désorganisé, ce qui nuit à la qualité des mélanges. Le système décrit consiste à aspirer les espèces à mélanger dans une tuyauterie régulièrement perforée située au centre de la cuve, à effectuer le mélange fin desdites espèces dans ladite tuyauterie, puis à rejeter ledit mélange au travers d'une pluralité de tuyauteries verticales, reliées à la précédente par des tuyauteries radiales. Ces tuyauteries verticales sont régulièrement perforées et sont situées en périphérie de la cuve. La mise en mouvement des fluides est assurée par une pompe placée dans la tuyauterie centrale. L'invention s'applique, par exemple, à l'homogénéisation des cuves de fermentation dans l'industrie pharmaceutique.

Description

La présente invention concerne le melange de deux espèces, par exemple deux liquides, dans une cuve. Un disposif de melange est par exemple souhaitable pour homogeneiser la température dans une cuve de grandes dimensions.

Dans lès réalisations traditionnelles, on utilise pour réaliser cette opération, des. agitateurs comportant des aubages. Les agitateurs à hélice previlegient les mouvements verticaux dans la cuve, tandis que les agitateurs à pales droites verticales privilegient les mouvements de fluides horizontaux.

On conçoit aisément que, pour réaliser Xe mélange de deux espèces, il est préferable de commencer a effectuer des mélanges grossiers, puis de plus en plus intimes, jusqu' & obtenir la finesse de mélange nécessitée par l'utilisateur. On conçoit par ailleurs qu'il est préférable de ne pas faire passer plusieurs fois le fluide dans les zones où se produit l'agitation. Il est par ailleurs necessaire que tout le fluide contenu dans la cuve passe dans ia zone de mélange. Il faut donc éviter les mouvements de fluide erratiques dans la cuve, qui sont très preJudiciables au bon fonctionnement d'un mélangeur.

Les procedés classiques de melange utilisant des systèmes a aubages, ne permettent pas de réaliser ces deux fonctions de manière optimisee. La part relative des zones de la cuve od s'effectuent les mélanges fins est mal contrdlee. Les zones de melange fin résultant, selon les mecanismes connus des spécialistes de turbulence, de la dégradation de l'energie contenue dans les tourbillons de grandes dimensions. Par ailleurs, les bouffees turbulentes ont des traJectoires erratiques, le résultat etant que le temps nécessaire pour réaliser un mélange d'une qualité donnée, est important. La qualité globale du mélange est en effet bien souvent celle de la zone la moins bien mélangée dans la cuve.

La figure 1/3 illustre le fonctionnement d'un mélangeur traditionnel H placé dans une cuve. On a schématisé les traJectoires suivies par le fluide, dans le but de montrer qu'il en est des privilégiées Le fluide présent sur la ligne de courant 101 aura beaucoup plus de chance de revenir dans la zone de forte agitation 104 que celui qui est situe dans les zones ioa et 103. Le temps T1 necessaire pour mélanger le fluide initialement present dans les zones ioa et 103 est beaucoup plus long que celui demande pour mélanger le fluide situe initialement sur la ligne de courant 101, et c'est le temps T1 qui dimensionne la séquence de fonetionnement du melangeur.

Par ailleurs, le mélangeur est entraidé par un moteur M et crée donc globalement sur le fluide un couple C qui a tendance à le mettre en rotation, ce qui peut, dans certains cas avoir des conséquences néfaste, tel des entrainements d'air intempestifs au travers de la surface libre.

La présente invention a pour but d'obtenir, de manière simple, un mélange optimisé dans une cuve. On dispose, dans la zone centrale de la cuve, une tuyauterie dont la paroi est percée d'une pluralité d'orifices. Les liquides a mélanger peuvent ainsi pénétrer dans la tuyauterie. La dépression nécessaire à l'introduction desdits fluides est assurée par une pompe, placée, lorsque l'on suit l'écoulement, à -l'aval de cette zone perforée.

La distribution des perforations étant quasi régulière le long de la tuyauterie, un mélange des diverses couches de fluides dans la cuve se produit dans la dite tuyauterie.

Lorsque ledit rnélange pénètre dans la pompe, il est grossièrement homogen-, l'échelle caractérisant l'homogénéité étant inférieure au rayon hydraulique de la tuyauterie.

Le mélange peut soit etre transporté vers la périphérie de la cuve par un réseau do tuyauterie plus ou moins nombreuses et réintroduit dans cell -ci de telle sorte qu'il se mélange le moins possible aux fluides non encore homogénéisés, soit transporté vers l'extérieur de la cuve pour y être utilisé.

Dans certaines réalisations, il peut s'avérer nécessaire de mélanger les fluides de manière très intime ou dans le cas par exemple de liquides non miscibles, de les émulsionner. Il suffit alors de placer, à l'aval de la pompe un dispositif dissipateur d'énergie, par exemple une grille perforée, éventuellement réglable, pour assurer l'un ou l'autre de ces processus. Le dimensionnement de ces organes se fait selon des règles de l'art connues, par exemple par application des relations de HINZE et KOLMOGOROFF.

Dans d'autres réalisations, il peut être utile d'introduire dans le mélange un corps supplémentaire. On pourra le faire, préférentiellement à l'amont de la pompe en introduisant ledit corps soit de manière ponctuelle, soit de manière répartie le long de la tuyauterie, selon les cas d'espèce.

Parmi les procédés permettant de réintroduire le mélange dans la cuve en évitant de le remélanger aux espèces non encore traitées, il est intéressant de disposer, en périphérie de ladite cuve des tuyauteries verticales quasi régulièrement perforées, dimensionnées selon les règles de l'art, de telle sorte que le débit du mélange réintroduit le soit quasiment régulièrement selon la direction verticale.

Pour limiter au maximum les risques de remélange intempestifs, les orifices de restitution seront dirigés vers l'extérieur de la cuve.

On donne une réalisation possible de l'invention à titre d'exemplè, illustré par la figure e/3.

Une cuve cylindrique de 10 m de diamètre, remplie de deux fluides 1 et 2 de densités différentes, respectivement égales à 1000 kg/m3 et 1050 Kg/m3. rivant mélange, le liquide le plus lourd est au fond de la cuve et le plus léger au dessus. Pour assurer un mélange homogène desdits fluides, supposés miscibles en 15 minutes, on procède, selon l'invention comme suit:
La tuyauterie verticale 202. placée au centre de la cuve a un diamètre de 1 m. On a disposé en son centre une tuyauterie coaxiale e01 de 500 mm de diamètre, percée, à sa base et à son sommet de deux trous de diamètre de 50 mm, destinés à permettre le remplissage et la vidange de cette tuyauterie en début et en fin de processus.

La cote 0 est la cote du plan d'eau. Entre la cote -10 m et la cote - 4 m, la tuyauterie 201 est régulièrement percée d'orifices de diamètres 50 mm, à raison de 25 par mètre de tuyauterie. Entre la cote 0 et la cote - 4 m, une pompe axiale
P permettant une circulation de fluide du bas vers le haut est, placée dans la tuyauterie.Pour permettre une introduction du fluide placé dans les couches supérieures, une tuyauterie 205 de diamètre 1200 m est placée autour de la tuyauterie principale 202. Cette tuyauterie est elle-meme percée de trous 206 de .50 mm, equirEpartis, a raison de 50 trous par moquant au tronçon de tuyauterie 202 placé entre la cote -4m et-2,5 m, il est percé de ico trous de 50 mm, équirépartis, qui permettent d'introduire dans la pompe P le fluide provenant préférentiellement des couches supérieures de la cuve situées entre les cotes - 4 m et O m.

Le fluide, grossièrement mélangé pénètre dans la pompe P, puis est distribué radialement dans la cuve au travers de 6 bras 207 de diar,lètre intérieur 400 mm. Ces bras permettent d'acheminer le fluide vers la périphérie de la cuve. Ils sont suivis de 6 coudes 208 puis de 6 tuyauteries verticales 209.

Les tuyauteries sont elles-memes percées chacune de 45 trous 210 équirépartis selon la direction verticale, dirigés vers l'extérieur de la cuve et au travers desquels le mélange est réintroduit dans ladite cuve.

Dans l'exemple choisi, les tubes 209 sont légèrement en retrait de la paroi extérieure de la cuve et le fluide issu des orifices de sortie a une allure générale représentée en B sur la figure Z/3.

Le fonctionnement du système est alors le suivant : le fluide issu des différentes couches de la cuve est introduit quasi horizontalement dans la tuyauterie suivant les flèches Fl, caractéristiques de l'écoulement dans la cuve, puis Fe. Etant donné le faible espace disponible entre les tuyauteries 201 et 20CT, le liquide provenant d'une cote quelconque de la cuve est rapidement mélangé a celui qui a été introduit dans l'intervalle entre les tuyauteries 205 et ZOZ, où il subit'un premier mélange, puis dans la tuyauterie 202. La présence de la tuyauterie ZOZ est due a l'implantation particulière de la pompe. Elle n'est pas indispensable dans d'autres réalisations du système obJet de l'invention.

Le mélange grossier passe dans la pompe P, qui est une pompe immergée de puissance 30 KW tournant à une vitesse de rotation de 420 tours/mn. Son débit est de 1,3 m3/s et elle engendre une hauteur de Z.104 Pa Il est ensuite dirigé, suivant les flèches F3 vers les 6 tuyauteries de 400 mm disposées radialement et régulièrement dans la cuve. Le mélange pénètre alors dans les tuyauteries verticales et ressort dans la cuve au travers des orifices 210 en évitant qu'un mélange intempestif se produise avec le fluide non traité.

flvec un tel système, le mélange est réalisé dans la cuve en un temps inférieur à 1/4 d'heure.

Pour réaliser un mélange plus intime, il aurait été possible de disposer des toles perforées ou tout autre mélangeur connu entre la pompe et le reJet 210, par exemple en ell sur la figure 2/3',.

La fig3/3 donne une autre réalisation possible du procédé, dans laquelle la distribution radiale de fluide s'effectue à partir du fond de la cuve plutôt qu'a partir de sa partie supérieure. On retrouve les memes éléments que dans l'exemple précédent. Le fluide est introduit selon les flèches F1 puis
F2 au travers des orifices 303 dans l'espace compris entre la tuyauterie 301 et la tuyauterie 302. Il passe ensuite dans la pompe P, pénètre suivant F3, puis F4 dans les tuyauteries radiales 303. Il quitte la tuyauterie 304 au travers des orifices 305, dirigés vers l'extérieur de la cuve.

Claims (10)

REVENDICTIONS

1. Procédé de mélange de fluides dans une cuve caractérisé en ce que l'on - aspire lesdits fluides dans une tuyauterie quasi verticalè au travers d'une pluralité d'orifices quasi équirépartis, lesdits fluides ayant une traJectoire quasi horizontale dans la cuve avant de pénétrer dans ladite tuyauterie, qu'après que cesdists fluides aient été introduits dans la tuyauterie où ils se mélangent, ils passent dans une pompe qui assure leur mise en mouvement, qu'ils sont ensuite envoyés au travers d'une pluralité de tuyauteries quasi radiales vers la zone externe de la cuve dans laquelle ils sont réintroduits au travers d'orifices percés dans des tuyauteries verticales prolongeant lesdites tuyauteries radiales.

2. Procédé selon la revendication NO 1 caractérisé en ce que l'un au moins des fluides est une suspension de solides dans un liquide.

3. Procédé selon la revendication NO 1 caractérisé en ce que l'un au moins des fluides est un mélange de liquide et de gaz.

4; Procédé selon la revendication NO 1 caractérisé en ce que la tuyauterie verticale est située dans la zone centrale de la cuve.

5. Procédé selon la revendication NO i caractérisé en ce que la pompe est une pompe axiale.

6. Procédé selon la revendication NO 1 caractérisé en ce que la pompe est une pompe centrifuge située å l'extérieur de la cuve.

7. Procédé selon la revendication NO 1 caractérisé en ce que l'on dispose, entre la pompe et le reJet une pluralité {éventuellement limitée à un) d'organes permettant de réaliser un mélange très intime des espèces, ou leur émulsionnement dans le cas de fluides non miscibles, ces organes pouvant par exemple etre constitués de tales perforées dont la perforation est éventuellement réglable.

8. Procédé selon la revendication NO 1 caractérisé en ce que tout ou partie des fluides sont, apres mélange, envoyés a l'extérieur de Ia cuve å fin d'utilisation ultérieure en utilisant ,pour ce faire, la pompe de circulation.

9. Procédé selon la revendication NO 1 caractérisé en ce que l'on injecte dans la tuyauterie située à l'amont de la pompe un fluide provenant de l'extérieur de la cuve, destiné à etre mélange àux fluides qu'elle contient initialement.

10. Procédé selon la revendication NO 1 caractérisé en ce que le taux de perforation dans la tuyauterie verticale est quasi proportionnel à la section horizontale de la cuve a la cote considérée.