FR2662619A1 - Melangeur-separateur cyclonique a co-courant et ses applications. - Google Patents
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Abstract
Mélangeur-séparateur cyclonique à co-courant permettant de séparer une phase légère L1, contenue dans un mélange M1 comprenant également une phase dense D1, de la phase dense D1 et de mélanger cette phase L1 à une phase dense D2 ou à un mélange M2 contenant cette phase D2 et une phase légère L2. Le mélange M1 est introduit en (1) et on récupère la phase D1 en (10). La phase dense D2 ou le mélange M2 est introduit en (3) et pénètre en (4) dans une deuxième enceinte intérieure dans laquelle pénètre également au moins une partie de la phase L1. Un mélange comprenant les phases L1, D2, et L2 si elle a été introduite, est obtenu en (4'). De préférence l'appareil comporte des pales (6) permettant de limiter la progression du vortex dans la sortie (5). Cet appareil permet l'échange rapide de chaleur, par exemple la trempe, d'une phase L1 par une phase D2 ou un mélange M2. Il peut aussi être utilisé pour le remplacement rapide d'une phase D1 contenue dans un mélange M1 comprenant également une phase L1 par une phase D2 différente de D1.
Description
i La présente invention concerne un mélangeur-séparateur cyclonique a co-
courant Cet équipement de génie chimique est un appareil permettant la séparation d'une phase dense Dl contenue dans un premier mélange MI contenant ladite phase dense Dl et une phase légère Li, et le mélange de ladite phase légère Li à une phase dense D 2 ou à un second mélange
M 2 contenant une phase dense D 2 et une phase légère L 2.
La présente invention concerne également l'utilisation de ce mélangeurséparateur (dénommé ci-après l'appareil) pour l'échange rapide de chaleur entre une phase légère LI et une phase dense D 2 ou un mélange M 2 contenant au moins une phase dense D 2 et au moins une phase légère L 2 (par exemple la trempe ultra-rapide d'un gaz par injection d'un solide froid) Elle concerne également l'utilisation de cet appareil pour l'échange ou le remplacement rapide d'une phase dense Dl par une autre phase dense D 2 différente de Dl (par exemple d'un solide par un autre) dans un mélange contenant une phase dense et une phase légère (par exemple une phase réactionnelle comprenant un catalyseur que l'on remplace très rapidement
par un autre catalyseur ou par le même catalyseur moins usagé).
L'appareil de la présente invention peut ainsi être utilisé dans le procédé, dénommé ultra-pyrolyse, décrit par exemple par Graham et a I, World Fluidisation Conference, Mai 1986, Elsinore Danemark, qui est un procédé de craquage à haute température, à l'état fluidisé et avec des temps de séjour du gaz dans le réacteur inférieur à la seconde Dans ce procédé la chaleur de réaction est habituellement fournie par un solide caloporteur mélangé avec la charge à l'entrée du réacteur, ce qui provoque un choc thermomécanique sur celle-ci Pour contrôler le temps de réaction et obtenir une bonne efficacité thermique, il est nécessaire de séparer les solides caloporteurs, qui sont ensuite recyclés, des produits gazeux de la réaction, puis de refroidir très rapidement, c'est à dire d'effectuer la trempe, des produits gazeux de la réaction dans un équipement approprié Pour des réactions ultra-rapides, la séparation et la
trempe doivent être aussi rapprochées que possible.
Pour effectuer simplement la trempe, on peut injecter des solides froids Pour que cette trempe soit efficace, il est nécessaire d'avoir un système permettant d'obtenir un mélange aussi efficace que possible entre les produits gazeux de la réaction et les solides froids Un système de séparateur combiné en série à un mélangeur, par exemple un mélangeur par jet à impaction, peut être envisagé Cependant, un tel système nécessitera deux équipements distincts, et le gaz séparé des solides chauds devra encore rester quelques instants à un niveau thermique élevé ce qui a pour conséquence la poursuite des réactions pendant encore un certain temps après la séparation des solides chauds jusqu'à l'arrêt de ces réactions par abaissement brutal de la température au moment o les gaz entrent en contact avec les solides froids. L'appareil de la présente invention permet une amélioration de l'efficacité de la trempe et une simplification de l'appareillage en regroupant au sein du même dispositif les deux fonctions de séparation des produits gazeux et des solides chauds et de trempe ultra-rapide des produits
gazeux par des solides froids.
Dans l'application envisagée ci-avant l'appareil permet, de séparer les produits gazeux de la réaction des solides chauds, et d'injecter très efficacement des solides froids dans les produits gazeux de la réaction, en utilisant un cyclone modifié Dans cet appareil le vortex, induit pour séparer les solides chauds des produits gazeux grâce à la force centrifuge et aux différences de masse volumique des deux phases, est également utilisé pour mélanger efficacement les
solides froids injectés au-dessus de la sortie du gaz et obtenir un très bon transfert de chaleur.
La séparation du mélange gaz-solides chauds et le mélange gaz-solides froids ont ainsi lieu dans le même équipement et de façon pratiquement simultanée La trempe des produits gazeux est donc pratiquement instantanée, ce qui permet un arrêt de la réaction au niveau du séparateur sans pour autant affecter significativement le rendement thermique de la partie
chaude du procédé, les solides chauds ne subissant pas la trempe.
De façon plus précise la présente invention concerne un mélangeurséparateur cyclonique à co-courant, de forme allongée le long d'au moins un axe, de section sensiblement circulaire comportant en combinaison: -au moins une enceinte extérieure, de section sensiblement circulaire de diamètre (Dc) et de longueur (L), comprenant à une première extrémité des moyens d'introduction permettant d'introduire, par une entrée dite entrée externe, un premier mélange Ml contenant au moins une phase dense Dl et au moins une phase légère LI, lesdits moyens étant adaptés à conférer au moins à la phase légère Li un mouvement hélicoïdal dans la direction de l'écoulement dudit mélange Ml dans ladite enceinte extérieure et comprenant également des moyens de séparation des phases Dl et Li, et à l'extrémité opposée à ladite première extrémité des moyens de récupération permettant de récupérer, par une sortie dite sortie externe, au moins une partie de ladite phase dense Dl, -au moins une première enceinte intérieure, de section sensiblement circulaire, de longueur (Li) inférieure à (L), disposée coaxialement par rapport à ladite enceinte extérieure, comprenant à une première extrémité, située à proximité de ladite première extrémité de l'enceinte extérieure, des moyens d'introduction permettant d'introduire, par une entrée dite première entrée interne, au moins une phase dense D 2 ou au moins un mélange M 2 contenant au moins une phase dense D 2 et au moins une phase légère L 2, lesdits moyens permettant d'introduire ladite phase dense D 2 ou ledit mélange M 2 de façon à ce que leur écoulement ait lieu dans la même direction que l'écoulement du mélange Ml jusqu'à la deuxième extrémité, opposée à ladite première extrémité, par laquelle ladite phase dense D 2 ou ledit mélange M 2 quitte, par une première sortie, dite première sortie interne, de diamètre (Di) inférieur à (Dc), ladite première enceinte intérieure, -au moins une deuxième enceinte intérieure, de section sensiblement circulaire, disposée coaxialement par rapport à ladite première enceinte intérieure, comprenant une première extrémité située à une distance (Le) de ladite deuxième extrémité de la première enceinte intérieure, ladite distance (Le) étant d'environ O,lx(Dc) à environ 10 x(Dc), dans laquelle pénètre, par une entrée dite deuxième entrée interne, de diamètre (De) supérieur ou égal à (Di) et inférieur à (Dc), au moins une partie de la phase légère Ll et au moins une partie de la phase dense D 2 ou du mélange M 2, ladite deuxième enceinte comprenant à l'extrémité opposée à sa première extrémité des moyens de récupération permettant de récupérer, par une sortie dite deuxième sortie interne, le mélange formé dans ladite deuxième enceinte comprenant au moins une partie de la phase légère Ll et au moins une partie de la phase
dense D 2 ou du mélange M 2.
L'invention sera mieux comprise par la description de quelques modes de réalisation, donnés à
titre purement illustratif mais nullement limitatif, qui en sera faite ciaprès à l'aide des figures 1 A, 1 B, 2 et 3 annexées, sur lesquelles les organes similaires sont désignés par les mêmes chiffres
et lettres de référence.
La figure l A est une vue en perspective d'un appareil selon l'invention.
La figure 1 B est une vue en perspective d'un appareil selon l'invention qui ne diffère de celui représenté sur la figure 1 A que par les moyens de sortie ( 7) de la phase dense Dl introduite par le conduit ( 1) lesdits moyens ( 7) permettant dans le mode de réalisation schématisé sur la figure l A une sortie latérale ( 10) de la phase dense Dl et dans celui schématisé sur la figure 1 B
une sortie axiale ( 10) de cette phase.
La figure 2 est une vue en coupe d'un appareil selon l'invention pratiquement identique à celui représenté sur la figure 1 A mais comportant des moyens ( 6) dont la dimension dans la direction
perpendiculaire à l'axe de l'appareil est inférieure à la dimension de la sortie externe ( 5).
Les appareils selon l'invention, schématisés sur les figures IA et 2, de formes allongées, sensiblement régulières, le long d'un axe (A') qui est un axe de symétrie, comportent une enceinte extérieure, de diamètre (Dc) et de longueur (L) ayant une entrée tangentielle ( 1) dite entrée externe, dans laquelle on introduit, suivant une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'appareil, le mélange Ml contenant au moins une phase dense Dl et au moins une phase légère Li Cette entrée tangentielle a de préférence une section rectangulaire ou carrée dont le côté parallèle à l'axe de l'appareil a une dimension (Lk) habituellement d'environ 0,25 à environ 1 fois le diamètre (Dc), et le côté perpendiculaire à l'axe de l'appareil a une
dimension (hk) habituellement d'environ 0,05 à environ 0,5 fois le diamètre (Dc).
Le mélange Ml ainsi introduit s'enroule autour d'une première enceinte intérieure, disposée coaxialement par rapport à l'enceinte extérieure, ayant une entrée axiale ( 3), dite première entrée interne, permettant l'introduction d'au moins une phase dense D 2 ou de préférence d'au moins un mélange M 2 contenant une phase dense D 2 et une phase légère L 2 Cette phase dense D 2 ou ce mélange M 2 circule parallèlement à l'axe- (AA') de l'appareil jusqu'à la première sortie interne ( 3 ') de diamètre (DI) inférieur au diamètre (Dc) de l'enceinte extérieure de l'appareil et habituellement d'environ 0,05 à environ 0,9 fois ce diamètre (Dc) et de
préférence d'environ 0,4 à environ 0,8 fois ce diamètre (Dc).
La longueur (Li), entre le niveau extrême de l'entrée tangentielle ( 1) et la première sortie interne, est inférieure à (L) et est habituellement d'environ 0,2 à environ 9,5 fois le diamètre
(Dc) et de préférence d'environ 1 à environ 3 fois ce diamètre (Dc).
Bien que cela ne soit pas représenté sur les figures 1 A, 1 B et 2 il est possible, et habituellement souhaitable, dans le cas de débits importants des diverses phases au niveau des entrées de l'appareil, d'utiliser des moyens permettant de favoriser la formation du vortex comme par exemple un toit hélicoïdal descendant à partir du niveau extrême de l'entrée tangentielle ( 1) ou une volute par exemple externe, et permettant de limiter la turbulence au niveau de l'entrée tangentielle ( 1) Habituellement le pas de l'hélice est d'environ 0,01 à
environ 3 fois la valeur de (Lk) et le plus souvent d'environ 0,5 à environ 1,5 fois cette valeur.
La phase dense D 2 ou le mélange M 2 pénètre ensuite au moins en partie dans la deuxième enceinte intérieure, disposée coaxialement par rapport à la première enceinte intérieure, par la deuxième entrée interne ( 4) située à une distance (Le) de la première sortie interne ( 3 '), cette distance étant de préférence d'environ 0,2 à environ 2 fois le diamètre (Dc) Dans cette deuxième enceinte pénètre également au moins une partie de la phase légère Ll Cette deuxième entrée interne ( 4) a un diamètre interne (De) supérieur ou égal à (Di) et inférieur à (Dc) et habituellement d'environ 0,2 à environ 0,9 fois le diamètre (Dc) Ce diamètre (DI) est de préférence d'environ 0,4 à environ 0,8 fois le diamètre (Dc) On récupère par la deuxième sortie interne ( 4 ') de l'appareil un mélange comprenant au moins une partie de la phase légère Ll et au moins une partie de la phase dense D 2 ou du mélange M 2 comprenant une phase
dense D 2 et une phase légère L 2.
Selon la réalisation schématisée sur les figures 1 A et 2 l'appareil comporte, en aval, dans le sens de l'écoulement des diverses phases, de la deuxième entrée interne, des moyens ( 6) limitant la progression de la phase légère Ll dans l'espace situé entre la paroi interne de l'enceinte extérieure et la paroi externe de la deuxième enceinte intérieure ou sortie externe ( 5) Ces moyens ( 6) sont de préférence des pales sensiblement planes dont le plan comprend l'axe de l'appareil Ces moyens ( 6) sont habituellement fixés sur au moins une paroi de l'une des enceintes intérieure ou extérieure Ces moyens ( 6) sont de préférence fixés à la paroi externe de la deuxième enceinte intérieure de sorte que la distance (Lp) entre la deuxième entrée interne et le point desdites pales le plus proche de cette deuxième entrée interne soit d'environ O à environ 5 fois le diamètre (Dc) et de préférence d'environ 0,1 à environ 1 fois ce
diamètre (Dc).
Le nombre de pales est variable suivant la distribution du temps de séjour que l'on accepte pour la phase Ll et également en fonction du diamètre (Dc) de l'enceinte extérieure Si le temps de séjour de la phase Ll peut avoir une distribution large il ne sera alors pas indispensable d'avoir des pales Le nombre de pales est habituellement compris entre O et environ 50, le plus souvent, lorsque des pales sont présentes, d'au moins 2 et par exemple de 2 à environ 50 et de préférence de 3 à environ 50 Ainsi dans le cas de l'utilisation d'un appareil selon l'invention dans la mise en oeuvre de réactions ultra-rapides, par exemple dans le cas de l'ultra-pyrolyse, dans lesquelles il est souvent nécessaire de limiter la distribution des temps de séjour de la phase légère dans l'appareil, permettant en particulier la séparation et la trempe d'une phase légère, les pales vont permettre par une limitation de la continuation du vortex sur toute la section du cyclone, autour de la sortie interne ( 4) de la phase légère, une diminution et un contrôle de la distribution des temps de séjour et par voie de conséquence on limitera la
dégradation des produits contenus dans la phase légère circulant autour de la sortie interne.
Chacune de ces pales a habituellement une dimension ou largeur (ep) mesurée dans la direction perpendiculaire à l'axe de l'appareil et définie par rapport au diamètre intérieur (Dc) de l'enceinte extérieure et au diamètre extérieur (D'e) de la deuxième enceinte intérieure, d'environ 0,01 à 1 fois la valeur l((Dc)-(D'e))/2 l de la demi différence de ces diamètres (Dc) et (D'e), de préférence d'environ 0,5 à 1 fois cette valeur et le plus souvent d'environ 0,9 à 1 fois
cette valeur.
Ces pales ont chacune sur leur arête, la plus proche de l'axe des enceintes intérieures, dans la direction parallèle à cet axe, une dimension ou hauteur interne (hpi) et une dimension ou hauteur externe (hpe) mesurée dans la direction de l'axe de l'appareil sur l'arête de ladite pale la plus proche de la paroi interne de l'enceinte extérieure Ces dimensions (hpi) et (hpe) sont habituellement supérieures à 0,1 fois le diamètre (Dc) et par exemple d'environ 0,1 fois à
environ 10 fois le diamètre (Dc) et le plus souvent d'environ 1 à environ 4 fois ce diamètre (Dc).
De préférence ces pales ont chacune une dimension (hpi) supérieure ou égale à leur
dimension (hpe).
Selon la réalisation schématisée sur les figures 1 A et 2 l'appareil comporte, en aval, dans le sens de l'écoulement des diverses phases, de la deuxième entrée interne, des moyens ( 8) permettant l'introduction éventuelle d'une phase légère L 3 en au moins un point situé entre la deuxième entrée interne ( 4) de la deuxième enceinte intérieure et la sortie externe ( 10) de la phase dense Dl; ce ou ces points sont de préférence à une distance (Lz) de l'entrée ( 4) de la deuxième enceinte intérieure Ladite distance (Lz) a de préférence une valeur au moins égale à la somme des valeurs de (Lp) et (hpi) et au plus égale à la distance entre l'entrée ( 4) de la deuxième enceinte intérieure et les moyens de sortie ( 7) de la phase dense Dl Cette phase légère L 3 peut être introduite par exemple dans le cas o il est souhaitable d'effectuer un strippage de la phase dense Dl La phase légère L 3 est de préférence introduite en plusieurs points qui sont habituellement répartis symétriquement, dans un plan au niveau duquel
l'introduction est effectuée, autours de l'enceinte extérieure.
Le ou les points d'introduction de cette phase légère L 3 sont habituellement situés à une distance au moins égale à 0,1 fois le diamètre (Dc) de l'entrée ( 4) de la deuxième enceinte intérieure lorsque l'appareil ne comporte pas de moyens ( 6) ou du point desdits moyens ( 6) le plus proche des moyens ( 7) de sortie de la phase dense Dl lorsque l'appareil comporte des moyens ( 6) Le ou les points d'introduction de cette phase légère L 3 sont de préférence situés à proximité de la sortie externe ( 10) et le plus souvent à proximité des moyens de sortie
( 7) de la phase dense Dl.
La dimension (p') entre le niveau de la deuxième entrée interne ( 4) et les moyens ( 7) de sortie de la phase dense Dl est déterminée à partir des autres dimensions des divers moyens formant l'appareil et de la longueur (L) de l'enceinte extérieure mesurée entre le niveau extrême de l'entrée tangentielle ( 1) et les moyens ( 7) de sortie de la phase dense Dl Cette dimension (L) est habituellement d'environ 1 à environ 35 fois le diamètre (Dc) de l'enceinte extérieure et le plus souvent d'environ 1 à 25 fois ce diamètre (Dc) On peut de même calculer la dimension (P), entre le point des moyens ( 6) le plus proche des moyens ( 7) de sortie de la phase dense Dl et lesdits moyens ( 7), à partir des autres dimensions des divers moyens
formant rappareil et de la longueur (L).
On ne sortirait pas du cadre de la présente invention dans le cas o l'axe (AA') de l'appareil fait un angle avec la verticale Dans ce cas il est cependant préférable, si des moyens ( 6) (limitant la circulation de la phase légère Ll dans la sortie externe ( 5) et donc réduisant la distribution des temps de séjour de cette phase Ll dans l'appareil) sont utilisés, de les placer verticalement et donc de réaliser un appareil comportant, dans le cas d'une sortie interne ( 4 ') axiale, un coude au dela duquel lesdits moyens ( 6) seront positionnés dans la sortie externe verticale De même dans le cas d'un appareil tel que celui schématisé sur la figure 1 B, -ayant une sortie latérale ( 4 '), il est possible de positionner les moyens ( 6) (limitant la circulation de la phase légère Ll dans la sortie externe ( 5) et donc réduisant la distribution des temps de séjour de cette phase Ll dans
l'appareil) après le niveau de la sortie interne ( 4 ') et avant les moyens ( 7).
Les moyens ( 6) limitent la progression du vortex de la phase légère Ll dans la sortie externe ( 5) La position de ces moyens ( 6) et leur nombre influent donc sur les performances de la séparation des phases Dl et Ll contenues dans le mélange Ml (perte de charge et efficacité de la collecte de la phase dense Dl) et également sur la pénétration du vortex de la phase légère Ll dans la sortie ( 5) Ces paramètres seront donc choisis avec soin par l'homme du métier en particulier en fonction des résultats souhaités et de la perte de charge tolérée En particulier lorsque Dl est un solide, le nombre de pales, leur forme et leur position seront choisis avec soins en tenant compte de leur influence sur l'écoulement du solide en liaison
avec la limitation recherchée de la progression du vortex dans la sortie externe ( 5).
La figure 3 est une vue en perspective d'un appareil selon l'invention comportant une enceinte extérieure, de diamètre (Dc) ayant une entrée ( 1) dite entrée externe axiale, dans laquelle on introduit suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe (A') de l'appareil le mélange Mi contenant une phase dense Dl et une phase légère Li Cet appareil comporte en outre des moyens ( 2) placés à l'intérieur de l'entrée ( 1) dans l'espace situé entre la paroi interne de l'enceinte extérieure et la paroi externe de la première enceinte intérieure permettant de conférer en aval, dans le sens de circulation dudit mélange MI, un mouvement hélicoïdal ou tourbillonnant au moins à la phase Ll dudit mélange Ml Ces moyens sont habituellement des pales inclinées La longueur L de l'appareil est comptée entre ces moyens permettant de créer un vortex, au moins sur la phase LI, et les moyens ( 7) de sortie de la phase dense Dl Cet appareil ne comporte pas de moyens ( 6) de limitation de la pénétration du vortex dans la sortie externe ( 5) Toutes les autres caractéristiques sont identiques à celles décrites en liaison avec les appareils représentés sur les figures l A et 2, en particulier les diverses dimensions sont
celles mentionnées dans la description de ces appareils Les variantes décrites en liaison avec
les appareils représentés sur les figures l A et 2 sont également possibles dans le cas de l'appareil selon la présente invention schématisé sur la figure 3 On peut en particulier envisager une sortie interne ( 4 ') latérale et une sortie externe axiale ( 10) comme dans le cas de la réalisation schématisée sur la figure 1 B, et également l'utilisation de moyens ( 6) dans la sortie
externe ( 5).
Les moyens de sortie ( 7) de la phase dense Dl permettent habituellement de collecter et de canaliser cette phase dense Dl jusqu'à la sortie externe ( 10) Ces moyens sont le plus souvent
un fond incliné ou un cône axé ou non sur la sortie interne ( 4 ').
Les appareils selon la présente invention permettent ainsi le tranfert de chaleur et/ou de matière entre les diverses phases en présences Ces phases sont, pour ce qui est des phases légères Ll, L 2 et L 3 des phases liquides, gazeuses ou des phases contenant à la fois du liquide et du gaz, et pour ce qui est des phases denses Dl et D 2 des phases solides (sous forme de particules), liquides ou des phases contenant à la fois du solide et du liquide Deux cas sont fréquemment rencontrés: le premier dans lequel les phases denses sont des solides et les phases légères des gaz et le second dans lequel il y a une phase liquide qui peut être la
phase dense ou la phase légère.
Les appareils de la présente invention schématisés sur les figures annexées comportent un axe unique (AA') mais on ne sortirait pas du cadre de la présente invention dans le cas o l'on réaliserait un appareil comportant plusieurs axes par exemple faisant un angle entre eux Dans ce cas l'axe (AA') mentionné ci-avant serait l'axe de la partie de l'appareil située entre la première entrée interne ( 3) et la première sortie interne ( 3 ') et la valeur du diamètre (Dc) serait celle mesurée au niveau de cette sortie interne ( 3 '), cet axe (AN) restant aussi dans ce cas l'axe de la deuxième enceinte intérieure, les deux enceintes intérieures restant disposées coaxialement (un tel cas est par exemple celui d'un appareil comportant une enceinte
extérieure coudée).
Le diamètre (Dc) de l'appareil mesuré au niveau de la première sortie interne ( 3 ') est habituellement d'environ 0,01 à environ 10 m (mètres) et le plus souvent d'environ 0,05 à environ 2 m Il est habituellement préférable de garder un diamètre constant sur toute la longueur (L) de l'appareil ou même depuis le niveau de l'injection du mélange Ml jusqu'au niveau des moyens ( 7) de sortie de la phase dense Dl; cependant on ne sortirait pas du cadre de l'invention dans le cas d'un appareil comportant des élargissements ou des rétrécissements
de section entre lesdits niveaux.
Pour obtenir une bonne séparation d'une phase Li contenue dans un mélange MI comprenant également au moins une phase Dl et un mélange efficace de cette phase Li avec au moins une phase D 2 il est préférable d'avoir une vitesse superficielle d'entrée de cette phase Li élevée et par exemple d'environ 5 à environ 150 mxs-1 (mètre par seconde) et de préférence d'environ 10 à environ 75 mxs-1 Le rapport en poids du débit de la phase Dl au débit de la phase Li est habituellement d'environ 0,0001:1 à environ 50:1 et le plus souvent d'environ 0,1: 1 à environ 15:1 Le débit de la phase D 2 représente habituellement en poids d'environ 0,1 à environ 1000 % du débit de la phase Dl et le plus souvent d'environ 10 à environ 300 % du débit de la phase Dl La vitesse superficielle V 2 de la phase L 2, lorsqu'elle est présente, est habituellement d'environ 1 à environ 500 % de la vitesse axiale moyenne Vl sur toute la section de diamètre (Dc) située entre la première sortie interne ( 3 ') et la deuxième entrée interne ( 4) définie par la relation: V 1 =L 1/(izx Dc 2) /4 dans laquelle LI est exprimé en m 3 xs-1 (mètre cube par seconde) et Dc en m La vitesse
superficielle V 2 sera de préférence d'environ 5 à environ 150 % de la vitesse Vl.
Il est possible, par exemple en augmentant la pression en aval, dans le sens de la circulation de la phase dense D 2, de la deuxième entrée interne ( 4) ou en diminuant la pression en aval, dans le sens de la circulation de la phase dense Dl, des moyens ( 7) de sortie de cette phase, de soutirer une partie plus ou moins importante de la phase Li avec la phase Dl et simultanément d'obtenir au niveau de la deuxième sortie ( 4 ') un mélange pratiquement complètement exempt de phase Dl On peut ainsi soutirer jusqu'à 90 % de la phase L 1 avec Dl, mais le plus souvent on soutire environ 1 à environ 10 % de cette phase Li avec la phase Dl Les variations de 1 O pression permettant de jouer sur la quantité de phase Li soutirée avec la phase Dl sont assurées par des moyens bien connus de l'homme du métier et par exemple en jouant sur la température de la trempe par modification des débits de phases L 2 et/ou D 2, ou en modifiant
le débit de la phase L 3, ou en modifiant les conditions d'opération en aval de la sortie ( 10).
Dans les divers appareils selon l'invention et dans les différents modes d'injection du mélange Ml, un tel soutirage peut permettre d'améliorer l'efficacité de récupération de la phase dense Dl Ainsi dans une forme avantageuse de réalisation de l'invention l'appareil comprendra au moins un moyen permettant le soutirage, par la sortie externe, d'au moins une partie de la
phase légère Li en mélange avec la phase dense Dl.
Le choix entre un appareil comportant une entrée tangentielle, pour le mélange MI, et un appareil comportant une entrée axiale, pour ce mélange Ml, est habituellement guidé par le rapport en poids des débits des phases LI et Dl Dans le cas o ce rapport est inférieur à 2: 1
il peut être avantageux de choisir un appareil à entrée axiale.
L'exemple qui suit est donné à titre illustratif et montre l'efficacité de la séparation d'une phase dense (solide) Dl contenue dans un mélange Mi contenant également une phase légère (gazeuse) Li, et également l'efficacité de la trempe de cette phase gazeuse Li par un
mélange M 2 contenant une phase solide D 2 et une phase gazeuse L 2.
On réalise deux appareils, d'axes verticaux, conformes à ceux représentés schématiquement sur les figures 1 A et 2 comportant une entrée tangentielle à toit descendant sur 3/4 de tour régulièrement sur une hauteur égale à la valeur de Lk Ces appareils ont les caractéristiques
géométriques mentionnées dans le tableau I ci-après.
TABLEAU I
Appareil A Appareil B Dimensions avec sans en cm pales pales Dc 5,1 5,1 Di 2,5 2,5 1 1 TABLEAU I (suite) Appareil A Appare U B Dimensions avec sans en cm pales pales De 2,5 2,5
UL 5,1 5,1
Le 1,2 1,2 Lk 2,5 2,5
Lp 2,5 -
hpe 5,1
hpi 5,1 -
hk 1,3 1,3
ep 1,2 -
Np*(nombre) 8 O p' 25 25 *Np représente le nombre de pales Les autres symboles sont définis dans la
description.
Les flux des phases introduites sont caractérisés à l'aide des notations suivantes: température d'entrée: T capacité calorifique: Cp conductivité thermique: k débit massique: F débit volumique: Q masse volumique: R vitesse superficielle: V diamètre de sauter des particules: ds La phase L 1 est de l'air ayant les caractéristiques suivantes: TL 1 = 700 C, Cp L 1 = 1000 J/Kg C, k L 1 = 0,034 W/m C, FL 1 = 3,75 x 10-3 Kg/s,
QL 1 = 10,7 x 10-3 nm 3/s, VL 1 =V 1 = 33 m/Vs.
La phase L 2 est de l'air ayant les caractéristiques suivantes: TL 2 = 150 C, Cp L 2 = 1000 J/Kg C,
k L 2 = 0,063 W/m C, FL 2 = 1,67 x 10-3 Kg/s, QL 2 = 2 xl 0-3 m 3/s, VL 2 =V 2 = 4,1 m/s.
Il n'y a pas d'injection de phase L 3.
La phase D 1 est du sable ayant les caractéristiques suivantes: TD 1 = 700 C, Cp D 1 = 800 J/Kg C, k Dl= 0,5 W/m C, FD 1 = 18,75 x 10-3 Kg/s, RD 1 = 2500 Kg/m 3,
ds D 1 = 29 x 106 m.
La phase D 2 est du sable ayant les caractéristiques suivantes: TD 2 = 150 C, Cp D 2 = 800 J/Kg C,
k D 2 = 0,5 W/m C, FD 2 = 17,05 x 10 O-3 Kg/s, RD 2 = 2500 Kg/m 3, ds D 2 = 65 x 10 o-6 m.
Les performances des appareils, mentionnées dans le tableau Il, sont exprimées comme suit: ED 1 = efficacité de séparation de D 1 dans l'appareil (rapport du débit massique de D 1 mesuré dans la sortie externe ( 10) au débit massique de D 1 introduit dans l'entrée tangentielle ( 1)) avec un soutirage de la phase L 1 dans la sortie externe ( 10) de 2 % en poids par rapport au
poids de L 1 introduit dans l'entrée tangentielle ( 1).
Pvortex=distance entre la fin du vortex de L 1 dans la sortie externe ( 5) et le sommet de la
deuxième entrée interne ( 4).
Ttrempe=température du mélange gazeux formé par L 1 et L 2 mesurée à une distance de 1 m
du sommet de la deuxième entrée interne ( 4).
TABLEAU II
Performances Appareil A Appareil B
ED 1 98,4 % 98,1 %
Pvortex 4 cm 23 cm Ttremrrpe 2950 C 310 C
Claims (12)
- -1 Mélangeur-séparateur cyclonique à co-courant, de forme allongée le long d'au moins un axe, de section sensiblement circulaire comportant en combinaison: -au moins une enceinte extérieure, de section sensiblement circulaire de diamètre (Dc) et de longueur (L), comprenant à une première extrémité des moyens d'introduction permettant d'introduire, par une entrée dite entrée externe, un premier mélange Mi contenant au moins une phase dense Dl et au moins une phase légère Li, lesdits moyens étant adaptés à conférer au moins à la phase légère Li un mouvement hélicoïdal dans la direction de l'écoulement dudit mélange MI dans ladite enceinte extérieure et comprenant également des moyens de séparation des phases Dl et Li, et à l'extrémité opposée à ladite première extrémité des moyens de récupération permettant de récupérer, par une sortie dite sortie externe, au moins une partie de ladite phase dense Dl, -au moins une première enceinte intérieure, de section sensiblement circulaire, de longueur (Li) inférieure à (L), disposée coaxialement par rapport à ladite enceinte extérieure, comprenant à une première extrémité, située à proximité de ladite première extrémité de l'enceinte extérieure, des moyens d'introduction permettant d'introduire, par une entrée dite première entrée interne, au moins une phase dense D 2 ou au moins un mélange M 2 contenant au moins une phase dense D 2 et au moins une phase légère L 2, lesdits moyens permettant d'introduire ladite phase dense D 2 ou ledit mélange M 2 de façon à ce que leur écoulement ait lieu dans la même direction que l'écoulement du mélange Ml jusqu'à la deuxième extrémité, opposée à ladite première extrémité, par laquelle ladite phase dense D 2 ou ledit mélange M 2 quitte, par une première sortie dite première sortie interne, de diamètre (Di) inférieur à (Dc), ladite première enceinte intérieure, -au moins une deuxième enceinte intérieure, de section sensiblement circulaire, disposée coaxialement par rapport à ladite première enceinte intérieure, comprenant une première extrémité située à une distance (Le), de ladite deuxième extrémité de la première enceinte intérieure, ladite distance (Le) étant d'environ O,lx(Dc) à environ 10 x(Dc), dans laquelle pénètre, par une entrée dite deuxième entrée interne, de diamètre (De) supérieur ou égal à (Di) et inférieur à (Dc), au moins une partie de la phase légère Li et au moins une partie de la phase dense D 2 ou du mélange M 2, ladite deuxième enceinte comprenant à l'extrémité opposée à sa première extrémité des moyens de récupération permettant de récupérer, par une sortie dite deuxième sortie interne, le mélange formé dans ladite deuxième enceinte 1 4 comprenant au moins une partie de la phase légère Li et au moins une partie de la phasedense D 2 ou du mélange M 2.
- -2 Mélangeur-séparateur selon la revendication 1 dans lequel le mélange MI est introduitselon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe du mélangeurséparateur.
- -3 Mélangeur-séparateur selon la revendication 1 dans lequel le mélange Ml est introduitselon une direction sensiblement parallèle à l'axe du mélangeurséparateur.
- -4 Mélangeur-séparateur selon l'une des revendications 1 à 3 comprenant au moins un moyenpermettant le soutirage, par la sortie externe, d'au moins une partie de la phase légère Li enmélange avec la phase dense Dl.
- -5 Mélangeur-séparateur selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant en aval, dans lesens de l'écoulement des diverses phases, de la deuxième entrée interne, des moyens limitant la progression de la phase légère Li dans l'espace situé entre la paroi externe de ladeuxième enceinte intérieure et la paroi interne de l'enceinte extérieure.
- -6 Mélangeur-séparateur selon la revendication 5 dans lequel les moyens, limitant la progression de la phase légère Li, sont des pales sensiblement planes dont le plan comprendl'axe du mélangeur-séparateur.
- -7 Mélangeur-séparateur selon la revendication 6 comportant de 2 à environ 50 pales fixées à la paroi externe de la deuxième enceinte intérieure de sorte que la distance entre la deuxième entrée interne et le point desdites pales le plus proche de cette deuxième entrée interne soitd'environ O à environ 5 x(Dc).
- -8 Mélangeur-séparateur selon la revendication 6 ou 7 dans lequel les pales ont chacune une dimension (ep), mesurée dans la direction perpendiculaire à l'axe du mélangeur-séparateur, d'environ 0,01 à environ 1 fois la valeur l((Dc)-(D'e))12 l correspondant à la distance entre la paroi externe de la deuxième enceinte intérieure de diamètre externe (D'e) et la paroi interne de l'enceinte extérieure de diamètre intérieur (Dc), une dimension (hpi), mesurée sur l'arête de la pale la plus proche de l'axe des enceintes intérieures dans la direction parallèle à cet axe, et une dimension (hpe), mesurée dans la direction parallèle à l'axe du mélangeur-séparateur sur l'arête de la pale la plus proche de la paroi interne de l'enceinte extérieure, lesdites dimensions(hpi) et (hpe) étant d'environ 0,1 x(Dc) à environ 1 Ox(Dc).
- -9 Mélangeur-séparateur selon la revendication 8 dans lequel les pales ont chacune unedimension (hpi) supérieure ou égale à (hpe).
- -10 Mélangeur-séparateur selon l'une des revendications 1 à 9 comprenant des moyensd'introduction d'une phase légère L 3 entre la deuxième entrée interne et la sortie externe,lesdits moyens étant de préférence situés à proximité de ladite sortie externe.
- -11 Utilisation du mélangeur-séparateur selon l'une des revendications 1 à 10 pour l'échangerapide de chaleur entre une phase légère Li et une phase dense D 2 ou un mélange M 2contenant au moins une phase dense D 2 et au moins une phase légère L 2.
- -12 Utilisation du mélangeur-séparateur selon l'une des revendications 1 à 10 pour leremplacement rapide d'une phase dense Dl contenu dans un mélange Ml, comprenant enoutre une phase légère Li, par une phase dense D 2 différente de Dl.
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