"Appareil séparateur à tourbillon"
La présente invention a trait à un procédé et à un
appareil pour la séparation de fractions de mélanges fluides par
l'effet d'un tourbillon ou vortex.
L'utilisation d'un tourbillon forcé pour la séparation de substances fluides se trouve décrite dans le brevet canadien 949 941 délivré le 25 Juin 1974 au nom du présent Demandeur. En bref ce brevet concerne un appareil propre à maintenir un écoulement fluide suivant une configuration très proche de celle d'un tourbillon forcé théoriquement idéal, même dans des fluides de faible densité. On utilisera ci-après ce terme de "tourbillon forcé" pour désigner une telle configuration se rapprochant substantiellement de la forme théorique. Un tourbillon forcé s'avère avantageux pour réaliser la séparation, du fait qu'il n'y apparaît aucun effet de cisaillement entre les couches adjacentes. Lorsqu'un tel effet agit sur des particules comportant un rapport surface/masse élevé, il retarde leur séparation.
Plus spécifiquement dans le cas d'un écoulement laminaire le cisaillement du fluide peut provoquer une orientation préférentielle d�s particules de forme irrégulière, de manière que leur grand axe se trouve situé dans le plan de cisaillement et que la particule considérée présente donc sa section maximale dans le sens de la décantation. Lorsque l'écoulement est turbulent, l'effet de cisaillement est directement lié à ltapparition de petits remous
qui remettent les particules en suspension. Les deux types de cisaillement brisent les agglomérats de particules, ce qui rend la séparation plus difficile.
Il doit être entendu que le terme "fluide" utilisé dans les présentes doit.englober les solides divisés en particules, les liquides, les gaz, et leurs mélanges qui présentent les propriétés d'un fluide vrai.
Le procédé et l'appareil suivant la présente invention comportent divers perfectionnements par rapport à ceux antérieurs du Demandeur. Il a été découvert que l'agencement, dans la zone annulaire de séparation, d'ailettes de régularisation d'écoulement ou ailettes anti-remous améliore le processus en diminuant le risque que le sédiment ne se mélange à nouveau du fait de la turbulence.
Si ces ailettes sont montées à rotation par rapport au reste de l'appareil, elles peuvent jouer un rôle supplémentaire pour la redispersion des solides accumulés par le processus de séparation.
Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer.
Fig. 1 est une vue en coupe d'un séparateur suivant la présente invention. Fig. 2 est une vue en plan d'une autre forme d'exécution du cylindre central ou rotor intérieur de ce séparateur. Fig. 3 est une coupe suivant 3-3 (fig. 2).
On a représenté en coupe en fig. 1 un appareil propre à séparer des substances par application d'un tourbillon forcé. Cet appareil comprend une enveloppe extérieure fixe réalisée sous la forme d'un cylindre 30, comportant des fonds supérieur et inférieur plats, respectivement 31 et 32, lesquels sont à leur tour solidaires de manchons cylindriques porte-palier 33 et 34. Il est d'autre part prévu des chambres à volute d'entrée et de sortie respectivement
35 et 36, qui communiquent avec le haut et le bas de l'enveloppe cylindrique 30. La chambre 35 comporte un trou d'évent 39. L'appareil comprend d'autre part un arbre d'entraînement axial 15 qui s'étend en direction du bas à partir d'un embrayage magnétique 40 associé à un moteur 49. Il est supporté par un palier de butée 18 logé au-dessus de la chambre 35. Un joint 46 est monté au point où l'arbre 15 traverse la paroi supérieure de cette chambre. Un autre arbre axial 16 s'étend en direction du bas à travers la chambre 36 en étant supporté par un palier 19 fermé de façon étanche. Cet arbre
16 aboutit à un dispositif de frein 44. Des supports appropriés non représentés en fig. 1 sont prévus pour maintenir l'ensemble fixe.
Dans l'enveloppe extérieure 30 est monté un équipage tournant comportant deux parties respectivement accouplées à l'arbre supérieur 15 et à l'arbre inférieur 16. Cet équipage comprend un rotor extérieur représenté sous la forme d'un cylindre 10 dont l'une et l'autre extrémités sont solidaires de têtes coniques creuses 11 et
12. Ces deux têtes aboutissent à des manchons cylindriques 13 et 14 qui définissent chacun un passage annulaire, respectivement 23 et
25, traversant de bout en bout dans le sens longitudinal. Il est encore prévu un rotor intérieur 17 également établi sous la forme d'un cylindre disposé coaxialement par rapport à l'équipage tournant, de manière à définir avec le rotor extérieur un espace intermédiaire annulaire 24 ou espace de séparation. Des moyeux massifs 28 et 29 viennent se raccorder à des ailettes 20 et 21 solidaires des têtes coniques 11 et 12. Ces moyeux comportent à leurs extrémités des parties coniques coaxiales par rapport aux têtes 11 et 12, de manière à maintenir entre le haut et le bas de l'équipage tournant un passage annulaire qui communique avec l'un de ceux définis par les manchons 13 et 14 pour aboutir aux chambres respectives 35 et 36.
Les ailettes 20 et 21 agissent à la façon d'aubes ; dans un exemple pratique il en est prévu douze dont six ont substantiellement la même étendue que la partie conique précitée de manière à définir six po-
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visent ces poches pour aboutir à douze passages.
Dans l'espace annulaire qui s'étend radialement entre le cylin-
<EMI ID=2.1>
un certain nombre d'ailettes de régularisation d'écoulement ou ailettes anti-remous 41. L'arbre 15 est fixé au moyeu 28 et commande ainsi la rotation du rotor extérieur 10, des têtes coniques 11 et 12, des ailettes 20 et 21; ainsi que des deux moyeux 28 et 29. Quant à l'arbre 16, il est fixé au rotor intérieur 17, lequel peut tourner librement par rapport aux moyeux 28 et 29 sur des roulements 42. Les sur-faces extérieures des manchons 13 et 14 assurent des portées de grand diamètre qui viennent au contact de coussinets correspondants 26 et
27 réalisés sous la forme de manchons classiques montés à la presse dans les logements constitués par les manchons 33 et 34. Les coussinets 26 et 27 supportent ainsi radialement l'équipage tournant. On pourrait en variante utiliser des roulements classiques.
Lorsque l'appareil de fig. 1 est en service, ltarbre 15 est entraîné par le moteur 49 à travers l'embrayage 40. Le liquide chargé de matière divisée à séparer, telle qu'un sédiment fin, est amené
à la chambre à volute 35. Les gaz qui se dégagent éventuellement de ce liquide s'échappent par le trou d'évent 39. Le liquide qui a ainsi été amené en écoulement tournant avec énergie cinétique angulaire au prix d'une chute de pression correspondante, s'échappe par le bas à travers le passage annulaire 23 du manchon 13. Son écoulement s'oriente alors en direction de l'extérieur entre la paroi interne de la tête conique 11 et la surface de la partie conique du moyeu 28. Cet écoulement est tout d'abord divisé en six zones par les plus longues des ailettes ou aubes 20, puis en douze par les plus courtes de celles-ci, le liquide étant ainsi retenu dans les poches définies par les ailettes ou aubes. Une énergie cinétique additionnelle lui
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que le frein 44 n'est pas appliqué. Après une période transitoire initiale au cours de laquelle ce rotor 17 et les ailettes 41 qu'il porte sont accélérés jusqu'à la vitesse du rotor 10, le liquide tourne à la même vitesse angulaire que les parois intérieure et extérieure de l'espace annulaire 24. Il réalise ainsi un tourbillon forcé entre deux surfaces cylindriques tournant en synchronisme. Pour garantir de façon absolue ce synchronisme entre les rotors 17 et 10, il est possible de prévoir sur l'une des ailettes anti-remous 41 une petite languette qui se prolonge presque jusqu'à la paroi intérieure du rotor 10. De cette manière, dès qu'il s'est déposé un sédiment quelconque la languette verrouille l'un avec l'autre les rotors 10
et 17.
C'est bien entendu une caractéristique essentielle du tourbillon forcé qu'il n'existe pratiquement aucun déplacement relatif entre
les différentes fractions du fluide. A cet effet la partie à aubes
de mise en vitesse de l'appareil est agencée de manière que l'énergie cinétique soit appliquée graduellement à la substance qui pénètre dans celui-ci, afin que chaque fraction de cette substance parvienne dans l'espace annulaire de séparation 24 avec une énergie correspondant à son rayon. Le tourbillon forcé comporte une composante de vitesse axiale et à mesure que le liquide descend dans l'espace 24, le produit le plus lourd migre vers la paroi extérieure où il est retenu, tandis que le produit le plus léger est évacué par le passage 25 et la chambre de sortie 36. La quantité de mouvement angulaire acquise par le liquide est transférée aux ailettes ou aubes
21 et elle est encore réduite dans la chambre 36 pour apparaître
sous forme de pression dans le liquide qui sort par la tubulure 38. Du fait que les ailettes 21 prélèvent de l'énergie à partir du liquide, la puissance à fournir à l'arbre 15 représente seulement les pertes qui apparaissent dans l'appareil. Les ailettes ou aubes 20 et
21 se terminent par des bords incurvés à un angle orienté vers l'extérieur par rapport à l'espace annulaire de séparation. Cela résulte du fait que le déplacement radial le plus important du fluide se trouve tout près du rotor intérieur 17 et que par conséquent les ailettes s'étendent davantage vers l'espace de séparation au point précité.
Le rôle des ailettes anti-remous 41 consiste à promouvoir le processus de séparation. Il a été relevé que dans un tourbillon
forcé la sédimentation peut être limitée soit par un effet de rétention, soit par un -phénomène de formation d'un nouveau mélange sous l'action de la turbulence. Lorsque c'est cette turbulence qui constitue le facteur limitant la sédimentation, toute substance qui décante avec une vitesse supérieure à une certaine valeur critique se dépose sur le cylindre ou rotor extérieur. Une substance plus fine a tendance à décanter et il apparaît un gradient de concentration en fonction du rayon, mais la remise en mélange des substances par turbulence à partir de différents rayons limite ce gradient et par suite la séparation elle-même. Le taux limite de décantation susceptible d'assurer une séparation avec un rendement de 100 % est donné par l'égalité ci-dessous :
<EMI ID=4.1>
dans laquelle :
So = taux de décantation assurant juste la séparation à
100 %
G = valeur moyenne de l'accélération dans la zone de séparation, exprimée en nombre de �
<EMI ID=5.1>
vitesses radiales.
k = une constante qui a été relevée proportionnelle au rapport des rayons intérieur et extérieur de l'espace annulaire.
La vitesse de turbulence elle-même ne semble pas affectée par la vitesse de rotation de l'appareil séparateur, mais paraît proportionnelle au nombre de Reynolds de l'écoulement axial. Ce nombre est à son tour proportionnel à l'écoulement et au diamètre effectif de celui-ci. En divisant en partie l'espace de séparation par les ailettes radiales 41 solidaires du cylindre ou rotor intérieur mais qui s'arrêtent à distance du rotor extérieur, on peut réduire la section d'écoulement et par conséquent le nombre de Reynolds ainsi donc que la turbulence. La[deg.]section d'écoulement demeure libre pour le déplacement axial du fluide et le sédiment peut librement migrer <EMI ID=6.1> <EMI ID=7.1>
à 12,7 mm) et augmentait ainsi la surface de décantation par gra-
<EMI ID=8.1>
<EMI ID=9.1>
L'utilisation de ces ailettes anti-remous dans la zone de séparation est particulièrement importante quand on augmente l'échelle de la construction pour réaliser des unités de plus grandes dimensions. Il est alors possible de maintenir le rayon hydraulique de celles-ci à la même valeur que pour les appareils plus petits en augmentant le nombre des ailettes. Le résultat final est que si
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ble de traverser l'appareil pour le même effet de séparation augmente proportionnellement au cube de F à condition que le rayon hydraulique soit maintenu constant.
Le produit solide reste en place contre la paroi interne du rotor 10 aussi longtemps que l'appareil est en fonctionnement. Il est empêché de glisser en direction du bas par le frottement qui résulte des réactions relativement élevées que la paroi exerce sur lui. Quand la rotation de l'appareil s'arrête, certains genres de solides glissent vers le bas et sont évacués à travers la chambre de sortie. De cette façon l'appareil travaille suivant le mode discontinu. Cela est particulièrement désirable pour la clarification des fluides renfermant une faible teneur en matières solides, étant donné qu'on peut alors traiter de grandes quantités du fluide consi-
<EMI ID=11.1>
relativement faible.
Dans l'appareil suivant le brevet canadien 949 941, le sédiment qui se dépose contre la paroi interne du rotor 10 peut être éliminé en arrêtant brusquement la rotation des deux rotors 10 et 17 par
le moyen d'un frein approprié. Le fluide continue à tourner et il tend alors à laver le sédiment de la paroi sous l'effet de cisaillement de turbulence qui en résulte. En mettant en oeuvre ce processus il est ainsi possible de redisperser des petits dépôts de sédiments, tels que des boues métallurgiques.
On obtient une encore plus grande efficacité dans l'élimination des solides en utilisant un mouvement relatif entre les ailettes anti-remous et le cylindre ou rotor extérieur. Dans la forme d'exécution particulière de fig. 1, les paliers 42 permettent d'arrêter rapidement par le frein 44 l'arbre 16, le rotor intérieur 17 et les ailettes anti-remous 41, tandis que le rotor 10 continue à tourner avec le fluide. La re-dispersion des solides accumulés utilise ici l'énergie cinétique du fluide plus celle du rotor extérieur et des têtes coniques pour réaliser une suspension du sédiment déposé. Cela correspond à environ 10 fois l'énergie dont on dispose quand on utilise le fluide seul pour effectuer cette re-dispersion. Le fonctionnement avec les ailettes libres est meilleur que sans elles,
<EMI ID=12.1>
disperser les solides, se trouve concentré dans la zone de la paroi
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tuant dans les têtes coniques d'extrémité à la partie centrale avec retour le long de la paroi.. Cet écoulement résulte de ce que les ailettes tournantes déterminent un gradient de pression radial qui ne peut apparaître dans les ailettes fixes voisines. Ces-gradients sont équilibrés par l'écoulement centrifuge au droit des ailettes tournantes et l'écoulement centripète au droit de celles qui restent fixes. Bien que la puissance de ltécoulement axial précité soit insuffisante pour balayer complètement un sédiment minéral lourd, elle contribue à déplacer une certaine fraction de la matière.
L'expérience a montré que le lit de sédiment se dépose suivant une couche plus épaisse dans le haut que dans le bas et que les pointes des ailettes anti-remous peuvent se trouver enrobées vers leurs extrémités supérieures en empêchant ainsi la rotation relative entre elles et le rotor extérieur en vue de l'opération de dispersion. Pour éviter cet inconvénient l'on peut utiliser la variante de fig. 3 dans laquelle les ailettes anti-remous 142 sont entaillées dansle haut en même temps que leur nombre se trouve réduit dans cette même zone par l'agencement de quelques ailettes plus courtes
143.
Les boues minérales ou lourdes sont plus difficiles à disperser que les pulpes fibreuses, par exemple, et elles peuvent exiger des moyens en plus de l'effet de cisaillement provoqué par la rotation des ailettes anti-remous. De telles boues se déposent en général sous une forme laminaire qui présente de la résistance suivant deux directions, mais peu-ou point entre les couches successives.. On peut les enlever de la paroi du rotor extérieur à la façon dont on pèle un fruit, en utilisant des pointes recourbées 43 fixées aux extrémités de quelques-unes des ailettes, comme montré
en fig. 2. De telles pointes brisent toute structure en forme de gâteau et le cisaillement turbulent peut ensuite disperser les amas de sédiments qui résultent de leur action. Les pointes ou griffes
43 comportent l'avantage de concentrer la force disponible sur une petite surface. Si on les prolonge jusqu'au contact de la paroi interne du rotor 10, elles peuvent également servir pour garantir que les deux rotors 10 et 17 tournent en synchronisme.
Dans une autre forme d'exécution l'on utilisa en remplacement des pointes 43 un grand nombre (environ 30) de tiges rigides rectilignes disposées radialement. Cet agencement découpe le sédiment en plus petits morceaux, mais il exige un couple plus élevé pour se déplacer à travers celui-ci. La force qu'on peut faire apparaître
à l'extrémité des pointes en arrêtant rapidement le rotor 17 par le frein 44 pendant que continuent à tourner le rotor 10, les têtes coniques 11, 12 et le fluide lui-même, correspond au couple de freinage multiplié par le rapport entre d'une part le moment d'inertie des pièces encore en mouvement, savoir le rotor 10, les têtes coniques et le liquide, et d'autre part le moment d'inertie total de l'équipage tournant. Comme 90 % de l'inertie de ce dernier est cons-
<EMI ID=14.1>
moments d'inertie est égal à environ 0,9 et le couple différentiel du système correspond approximativement à 90 % du couple de freinage. Si l'on arrêtait au frein le rotor 10 au lieu du rotor 17, cela donnerait un couple différentiel d'environ 10 % du couple de freinage.
Le profil des moyeux 28 et 29 comporte un renflement ou protubérance pour obliger l'écoulement liquide à s'écarter davantage de l'axe central sur une partie de son trajet en direction du bas. La forme particulière de cette protubérance commande la répartition radiale des vitesses axiales du fluide au voisinage de l'entrée et de la sortie. Si l'on augmente la protubérance, la vitesse axiale augmente localement près du cylindre ou rotor extérieur. En l'absence de toute protubérance cette vitesse à la sortie et à l'entrée de l'espace de séparation de l'appareil se trouve beaucoup plus élevée au voisinage du rotor intérieur, près du raccordement avec les cônes, mais elle devient uniforme à six à dix pouces (environ 15 à 25 cm) sur la partie de la surface cylindrique à partir des deux cônes. La zone de changement du profil de vitesse entraîne
un déplacement radial du fluide, ce qui provoquerait dans cette région un écart par rapport à un tourbillon libre si le fluide pouvait se déplacer librement sans être guidé par les ailettes. Une protubérance repousse davantage vers l'extérieur les filets d'écou-
<EMI ID=15.1>
en établissant une vitesse régulière au bout d'environ 1,5 pouce
<EMI ID=16.1>
et que les ailettes d'entrée et de sortie peuvent elles-mêmes être prévues plus courtes. En d'autre termes l'énergie est impartie au fluide par les ailettes ou aubes à mesure que le rayon de rotation de ce fluide augmente et la protubérance provoque une application d'énergie plus rapide, de sorte que la valeur moyenne de cette énergie en face d'elle est égale à celle désirée plus bas dans l'espace de séparation, ce qui compense le fait qu'en ce point le fluide tend à se rassembler vers l'intérieur. Cette protubérance aboutit également à l'établissement rapide d'un profil de vitesse régulier dans l'espace de séparation.
Pour que les gaz qui se dégagent éventuellement du liquide ne se trouvent pas emprisonnés au-dessous de la protubérance, on a prévu des passages 22 dans le moyeu 28. Ces passages 22 sont préférablement constitués par deux rainures disposées symétriquement de part et d'autre de la protubérance. Il a été relevé qu'une répartition inégale de la vitesse axiale au voisinage de l'entrée et de la sortie s'avérait utile pour séparer de l'eau un liquide léger tel que l'huile. Le profil des protubérances 28 et 29 est élargi pour assurer une vitesse axiale initiale plus faible au voisinage du rotor 17 en déterminant ainsi une zone pour la concentration de l'huile.
Cette huile se rassemble le long du rotor 17 et elle glis-se vers le haut à travers les passages 22, lesquels sont également agrandis dans cette forme d'exécution, pour sortir finalement par le trou d'évent 39 réalisé sous forme de tube. Le renflement de la protubérance 29 sert en outre à empêcher que l'huile collectée le long du rotor 17 ne s'écoule en direction du bas pour sortir de la zone de séparation.
On notera que la tête 11 est prévue à plus petit angle (environ 60[deg.]) que la tête 12 (environ 30[deg.]), que la protubérance correspondant au moyeu 28 est plus courte et plus prononcée que celle du moyeu 29, et que les ailettes 20 sont plus courtes que les ailettes
21. Ces différences sont prévues pour éviter certains problèmes provoqués par des dépôts de boues apparaissant dans les poches d'entrée définies par les ailettes ou aubes, ainsi que pour contribuer
au transport des solides hors du fond de l'appareil.
On peut envisager plusieurs variantes pour l'appareil qu'on vient de décrire à titre d'exemple, tout en demeurant cependant dans le concept de l'invention. Cet appareil peut assurer une séparation efficace avec le rotor 17 et les ailettes anti-remous fixés aux moyeux 28 et 29. Toutefois cette disposition est manifestement moins efficace pour la redispersion des boues. Lorsque les rotors 10 et
17 sont ainsi bloqués l'un avec l'autre, il est possible de prolonger les ailettes anti-remous 41 dans la zone d'entrée pour les raccorder aux ailettes 20.
L'appareil peut également fonctionner pour assurer une séparation normale si l'entraînement est appliqué au rotor 17 et aux ailettes 41, mais..non plus au rotor 10. Dans une pareille disposition, même si les ailettes anti-remous ne sont pas fixes par rapport au rotor extérieur, on peut les prolonger en direction du haut pour
leur faire assumer le rôle des ailettes ou aubes d'entrée 20. Cela peut être aisément obtenu en déplaçant les roulements 42 de la base
<EMI ID=17.1> des ailettes où ils se trouvent sur le dessin pour les amener à une position plus proche des extrémités.
Il est possible à tout technicien d'imaginer diverses variantes en vue d'assurer un mouvement relatif entre le rotor 10 et les ailettes anti-remous 41. Si l'on utilise seulement l'inertie des pièces, on peut freiner et arrêter rapidement le rotor 10 et non plus le rotor 17, comme décrit en référence à fig.. 1. Si pendant l'opération de dispersion l'on doit continuer à amener de l'énergie à l'appareil, le moteur 49 peut poursuivre sa marche pour entraîner le rotor 10 par l'intermédiaire d'un embrayage limiteur de couple pendant qu'on applique le frein 44. En raison du cisaillement fluide très élevé qui apparaît lorsque les ailettes anti-remous sont maintenues fixes, le moteur 49 ne peut normalement faire tourner le rotor 10 qu'à environ 1/Sème de sa vitesse angulaire normale.
Au lieu d'utiliser les pointes recourbées 43, l'on peut réaliser les ailettes anti-remous à partir d'une matière plastique moulée plus dense que le fluide, telle par exemple que du polyéthylène chargé. Cela résoud le problème des ailettes qui se bloquent dans la boue et ne peuvent plus tourner par rapport au rotor extérieur lors du processus de dispersion. En effet quand le rotor intérieur est entraîné en rotation relative par.rapport au rotor extérieur, les ailettes souples se rétractent alors à partir de la boue. Pendant l'opération de séparation, quand l'appareil tourne à grande vitesse sans déplacement relatif entre les deux rotors, elles s'étendent radialement en ligne droite à partir du rotor intérieur.
Si l'on monte des bobines électriques à l'intérieur de l'enveloppe 30, le rotor 10 peut alors agir comme celui d'un moteur à induction. On élimine ainsi l'arbre d'entraînement 15 et la hauteur totale de l'appareil peut être réduite.
Pour fixer les idées, dans des appareils comportant une capaci-té de travail de 50 gallons américains par minute (environ 189 litres/minute) le rotor 10 comporte un diamètre intérieur de 10 pouces
(environ 254 mm) et le rotor 17 un diamètre extérieur de 4 pouces
(environ 101,6 mm), la longueur de chacun d'eux étant de 40 pouces
(environ 1 m). Le moteur 49 a une puissance de 10 CV et sa vitesse est de 3 600 t/m, l'entraînement étant assuré à travers un embrayage magnétique et un accouplement à liquide. Le maximum d'absorption de puissance apparaît lorsqu'on accélère l'apparail pour lui faire atteindre sa vitesse de marche normale. La puissance nécessaire pendant le fonctionnement est bien plus faible.
Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution par tous autres équivalents.
REVENDICATIONS
1. Appareil à tourbillon ou vortex pour séparer les fractions lourde et légère d'un fluide, caractérisé par la combinaison des dispositions suivantes :
- un espace annulaire de séparation délimité entre un rotor intérieur et un rotor extérieur à paroi pleine, ces deux rotors tournant en synchronisme ;
- une première chambre communiquant avec ledit espace de séparation et renfermant un premier jeu d'ailettes formant aubes qui impartissent un mouvement angulaire au fluide et qui amènent celui-ci à l'espace précité suivant un écoulement axial ;
- et plusieurs ailettes de régularisation d'écoulement ou ailettes anti-remous fixées au rotor intérieur et qui s'étendent radialement vers le rotor extérieur en vue de réduire le rayon hydraulique d'écoulement du fluide dans l'espace annulaire de séparation et de contribuer à la décantation de la fraction lourde.
"Vortex separator apparatus"
The present invention relates to a method and a
apparatus for the separation of fractions of fluid mixtures by
the effect of a vortex or vortex.
The use of a forced vortex for the separation of fluid substances is described in Canadian Patent 949,941 issued June 25, 1974 in the name of the present Applicant. In short, this patent relates to an apparatus capable of maintaining a fluid flow in a configuration very close to that of a theoretically ideal forced vortex, even in fluids of low density. This term of “forced vortex” will be used hereinafter to denote such a configuration substantially approaching the theoretical shape. Forced vortex is advantageous in effecting the separation, since there is no shearing effect between adjacent layers. When such an effect acts on particles having a high surface / mass ratio, it delays their separation.
More specifically in the case of laminar flow, the shear of the fluid can cause a preferential orientation of the irregularly shaped particles, so that their major axis is located in the shear plane and that the particle considered therefore has its maximum section in the direction of settling. When the flow is turbulent, the shear effect is directly related to the appearance of small eddies
which resuspend particles. Both types of shear break up particle agglomerates, making separation more difficult.
It should be understood that the term "fluid" used herein should encompass particulate solids, liquids, gases, and mixtures thereof which exhibit the properties of a true fluid.
The method and apparatus according to the present invention include various improvements over those of the Applicant's prior art. It has been found that the arrangement in the annular separation zone of flow control fins or anti-eddy fins improves the process by reducing the risk of the sediment re-mixing due to the turbulence.
If these fins are mounted to rotate with respect to the rest of the apparatus, they can play an additional role in the redispersion of solids accumulated by the separation process.
The appended drawing, given by way of example, will make it possible to better understand the invention, the characteristics that it has and the advantages that it is likely to provide.
Fig. 1 is a sectional view of a separator according to the present invention. Fig. 2 is a plan view of another embodiment of the central cylinder or inner rotor of this separator. Fig. 3 is a section on 3-3 (fig. 2).
There is shown in section in FIG. 1 an apparatus suitable for separating substances by application of a forced vortex. This apparatus comprises a fixed outer casing made in the form of a cylinder 30, comprising upper and lower flat ends, respectively 31 and 32, which are in turn secured to cylindrical bearing-holder sleeves 33 and 34. It is of on the other hand provided with inlet and outlet volute chambers respectively
35 and 36, which communicate with the top and bottom of the cylindrical casing 30. The chamber 35 has a vent hole 39. The apparatus further comprises an axial drive shaft 15 which extends in direction down from a magnetic clutch 40 associated with a motor 49. It is supported by a thrust bearing 18 housed above the chamber 35. A seal 46 is fitted at the point where the shaft 15 passes through the wall. superior of this room. Another axial shaft 16 extends downwardly through chamber 36, being supported by a sealed bearing 19. This tree
16 leads to a brake device 44. Suitable supports not shown in FIG. 1 are provided to keep the assembly fixed.
In the outer casing 30 is mounted a rotating assembly comprising two parts respectively coupled to the upper shaft 15 and to the lower shaft 16. This assembly comprises an outer rotor shown in the form of a cylinder 10, one of which and the other ends are integral with hollow conical heads 11 and
12. These two heads end in cylindrical sleeves 13 and 14 which each define an annular passage, respectively 23 and
25, crossing from end to end in the longitudinal direction. There is also provided an inner rotor 17 also established in the form of a cylinder arranged coaxially with respect to the rotating assembly, so as to define with the outer rotor an annular intermediate space 24 or separation space. Solid hubs 28 and 29 are connected to fins 20 and 21 integral with conical heads 11 and 12. These hubs comprise at their ends conical parts coaxial with respect to the heads 11 and 12, so as to maintain between the top and the top. bottom of the crew turning an annular passage which communicates with one of those defined by the sleeves 13 and 14 to lead to the respective chambers 35 and 36.
The fins 20 and 21 act like blades; in a practical example, twelve are provided, six of which have substantially the same extent as the aforementioned conical part so as to define six po-
<EMI ID = 1.1>
target these pockets to result in twelve passages.
In the annular space which extends radially between the cylin-
<EMI ID = 2.1>
a number of flow-regulating fins or anti-eddy fins 41. The shaft 15 is fixed to the hub 28 and thus controls the rotation of the outer rotor 10, the conical heads 11 and 12, the fins 20 and 21; as well as the two hubs 28 and 29. As for the shaft 16, it is fixed to the inner rotor 17, which can rotate freely relative to the hubs 28 and 29 on bearings 42. The outer surfaces of the sleeves 13 and 14 provide large diameter bearing surfaces which come into contact with corresponding bearings 26 and
27 produced in the form of conventional sleeves mounted in the press in the housings formed by the sleeves 33 and 34. The bearings 26 and 27 thus radially support the rotating assembly. As a variant, conventional bearings could be used.
When the apparatus of fig. 1 is in use, the shaft 15 is driven by the motor 49 through the clutch 40. The liquid loaded with divided material to be separated, such as fine sediment, is fed.
to the volute chamber 35. The gases which eventually emerge from this liquid escape through the vent hole 39. The liquid which has thus been brought into a rotating flow with angular kinetic energy at the cost of a corresponding drop in pressure , escapes from the bottom through the annular passage 23 of the sleeve 13. Its flow is then directed towards the outside between the internal wall of the conical head 11 and the surface of the conical part of the hub 28. This The flow is firstly divided into six zones by the longest of the fins or vanes 20, then into twelve by the shortest thereof, the liquid being thus retained in the pockets defined by the fins or vanes. An additional kinetic energy him
<EMI ID = 3.1>
that the brake 44 is not applied. After an initial transient period during which this rotor 17 and the fins 41 which it carries are accelerated to the speed of the rotor 10, the liquid rotates at the same angular speed as the inner and outer walls of the annular space 24. It thus produces a forced vortex between two cylindrical surfaces rotating in synchronism. In order to absolutely guarantee this synchronism between the rotors 17 and 10, it is possible to provide on one of the anti-swirl fins 41 a small tongue which extends almost to the inner wall of the rotor 10. In this way, as soon as any sediment has deposited, the tongue locks the rotors 10 with each other
and 17.
It is of course an essential characteristic of the forced vortex that there is practically no relative displacement between
the different fractions of the fluid. For this purpose the paddle wheel part
speed of the apparatus is arranged so that the kinetic energy is gradually applied to the substance which enters it, so that each fraction of this substance reaches the annular separation space 24 with a corresponding energy to its radius. The forced vortex has an axial velocity component and as the liquid moves down through space 24 the heavier product migrates to the outer wall where it is retained, while the lighter product is discharged through passage 25 and the outlet chamber 36. The amount of angular movement acquired by the liquid is transferred to the vanes or vanes.
21 and she is further reduced in room 36 to appear
in the form of pressure in the liquid which comes out through the pipe 38. Because the fins 21 take energy from the liquid, the power to be supplied to the shaft 15 represents only the losses which appear in the apparatus. The fins or vanes 20 and
21 terminate in edges curved at an outward angle with respect to the annular separation space. This results from the fact that the greatest radial displacement of the fluid is in close proximity to the inner rotor 17 and therefore the fins extend further towards the separation space at the aforementioned point.
The role of the anti-swirl fins 41 is to promote the separation process. It was noted that in a whirlwind
forced sedimentation can be limited either by a retention effect or by a phenomenon of formation of a new mixture under the action of turbulence. When it is this turbulence which constitutes the factor limiting the sedimentation, any substance which settles with a speed greater than a certain critical value is deposited on the cylinder or outer rotor. A finer substance tends to settle and there appears a concentration gradient as a function of the radius, but the re-mixing of the substances by turbulence from different radii limits this gradient and hence the separation itself. The limit settling rate likely to ensure separation with a yield of 100% is given by the equality below:
<EMI ID = 4.1>
in which :
So = settling rate just ensuring separation at
100%
G = average value of acceleration in the separation zone, expressed as a number of �
<EMI ID = 5.1>
radial speeds.
k = a constant which has been recorded proportional to the ratio of the interior and exterior radii of the annular space.
The speed of turbulence itself does not appear to be affected by the speed of rotation of the separator apparatus, but appears to be proportional to the Reynolds number of the axial flow. This number is in turn proportional to the flow and the effective diameter thereof. By partially dividing the separation space by the radial fins 41 integral with the inner cylinder or rotor but which stop at a distance from the outer rotor, the flow section and consequently the Reynolds number can be reduced as well as the turbulence. The [deg.] Flow section remains free for the axial displacement of the fluid and the sediment can freely migrate <EMI ID = 6.1> <EMI ID = 7.1>
to 12.7 mm) and thus increased the settling surface by gradual
<EMI ID = 8.1>
<EMI ID = 9.1>
The use of these anti-swirl fins in the separation zone is particularly important when increasing the scale of the construction to achieve larger units. It is then possible to maintain the hydraulic radius of these at the same value as for smaller devices by increasing the number of fins. The end result is that if
<EMI ID = 10.1>
ble to cross the device for the same separation effect increases proportionally to the cube of F provided that the hydraulic radius is kept constant.
The solid product remains in place against the inner wall of rotor 10 as long as the apparatus is in operation. It is prevented from sliding downwards by the friction which results from the relatively high reactions that the wall exerts on it. When the rotation of the apparatus stops, some kinds of solids slide down and are discharged through the outlet chamber. In this way the device works in the discontinuous mode. This is particularly desirable for the clarification of fluids containing low solids content, since large amounts of the fluid can then be processed.
<EMI ID = 11.1>
relatively low.
In the apparatus according to Canadian patent 949 941, the sediment which deposits against the internal wall of the rotor 10 can be removed by abruptly stopping the rotation of the two rotors 10 and 17 by
by means of an appropriate brake. The fluid continues to rotate and then tends to wash the sediment from the wall under the resulting turbulence shear effect. By implementing this process it is thus possible to redisperse small deposits of sediment, such as metallurgical sludge.
Even greater efficiency in solids removal is achieved by using relative movement between the anti-eddy fins and the outer cylinder or rotor. In the particular embodiment of FIG. 1, the bearings 42 make it possible to quickly stop by the brake 44 the shaft 16, the inner rotor 17 and the anti-backwash fins 41, while the rotor 10 continues to rotate with the fluid. The re-dispersion of the accumulated solids here uses the kinetic energy of the fluid plus that of the outer rotor and the conical heads to achieve a suspension of the deposited sediment. This corresponds to approximately 10 times the energy available when using the fluid alone to effect this re-dispersion. Operation with free fins is better than without them,
<EMI ID = 12.1>
disperse solids, is concentrated in the area of the wall
<EMI ID = 13.1>
killing in the end conical heads at the central part with return along the wall. This flow results from the fact that the rotating fins determine a radial pressure gradient which cannot appear in the neighboring fixed fins. These gradients are balanced by the centrifugal flow at the right of the rotating fins and the centripetal flow at the right of those which remain fixed. Although the power of the foregoing axial flow is insufficient to completely sweep away heavy mineral sediment, it does help to displace a certain fraction of the material.
Experience has shown that the bed of sediment settles in a thicker layer at the top than at the bottom and that the tips of the anti-backwash fins can become coated towards their upper ends thus preventing relative rotation between them and the outer rotor for the dispersal operation. To avoid this drawback, the variant of FIG. 3 in which the anti-swirl fins 142 are notched in the top at the same time that their number is reduced in this same zone by the arrangement of a few shorter fins
143.
Mineral or heavy sludge is more difficult to disperse than fibrous pulps, for example, and may require resources in addition to the shear effect caused by the rotation of the anti-eddy fins. Such sludge is generally deposited in a laminar form which presents resistance in two directions, but little or not between the successive layers. They can be removed from the wall of the outer rotor in the same way as one peels a fruit, using curved tips 43 attached to the ends of some of the fins as shown
in fig. 2. Such spikes break up any cake-like structure and the turbulent shear can then disperse the resulting sediment clumps. Spikes or claws
43 have the advantage of concentrating the available force on a small area. If they are extended until they come into contact with the internal wall of the rotor 10, they can also serve to ensure that the two rotors 10 and 17 rotate in synchronism.
In another embodiment, a large number (approximately 30) of straight rigid rods arranged radially were used instead of the tips 43. This arrangement cuts the sediment into smaller pieces, but it requires a higher torque to move through it. The strength that we can bring out
at the end of the tips by rapidly stopping the rotor 17 by the brake 44 while the rotor 10 continues to rotate, the conical heads 11, 12 and the fluid itself, corresponds to the braking torque multiplied by the ratio between d ' on the one hand the moment of inertia of the parts still in motion, namely the rotor 10, the conical heads and the liquid, and on the other hand the total moment of inertia of the rotating assembly. Since 90% of the inertia of the latter is
<EMI ID = 14.1>
moments of inertia is approximately 0.9 and the differential torque of the system is approximately 90% of the braking torque. If the rotor 10 were stopped at the brake instead of the rotor 17, this would give a differential torque of about 10% of the braking torque.
The profile of hubs 28 and 29 has a bulge or protrusion to force the liquid flow to move further away from the central axis for part of its downward path. The particular shape of this protuberance controls the radial distribution of the axial speeds of the fluid in the vicinity of the inlet and the outlet. If the protrusion is increased, the axial speed increases locally near the outer cylinder or rotor. In the absence of any protuberance this speed at the exit and at the entrance of the separation space of the apparatus is much higher in the vicinity of the inner rotor, near the connection with the cones, but it becomes uniform at six to ten inches (about 15 to 25 cm) on the part of the cylindrical surface from the two cones. The speed profile change zone results in
a radial displacement of the fluid, which would cause in this region a deviation from a free vortex if the fluid could move freely without being guided by the fins. A protuberance pushes the netting further outwards.
<EMI ID = 15.1>
establishing a steady speed after about 1.5 inch
<EMI ID = 16.1>
and that the inlet and outlet fins may themselves be made shorter. In other words the energy is imparted to the fluid by the fins or vanes as the radius of rotation of this fluid increases and the protuberance causes a faster application of energy, so that the average value of this energy in face of it is equal to that desired further down in the separation space, which compensates for the fact that at this point the fluid tends to collect inwards. This protrusion also results in the rapid establishment of a regular velocity profile in the separation space.
So that the gases which eventually emerge from the liquid are not trapped below the protuberance, passages 22 are provided in the hub 28. These passages 22 are preferably formed by two grooves arranged symmetrically on either side. of the protuberance. It has been observed that an uneven distribution of the axial speed in the vicinity of the inlet and the outlet is useful for separating a light liquid such as oil from water. The profile of the protuberances 28 and 29 is widened to ensure a lower initial axial speed in the vicinity of the rotor 17, thus determining an area for the concentration of the oil.
This oil collects along the rotor 17 and it slides upwards through the passages 22, which are also enlarged in this embodiment, to finally exit through the vent hole 39 in the form of a tube. The bulge of the protuberance 29 further serves to prevent the oil collected along the rotor 17 from flowing downwards out of the separation zone.
It will be noted that the head 11 is provided at a smaller angle (approximately 60 [deg.]) Than the head 12 (approximately 30 [deg.]), That the protuberance corresponding to the hub 28 is shorter and more pronounced than that of the hub 29, and that the fins 20 are shorter than the fins
21. These differences are intended to avoid certain problems caused by sludge deposits appearing in the inlet pockets defined by the fins or vanes, as well as to contribute
the transport of solids out of the bottom of the apparatus.
Several variants can be envisaged for the apparatus which has just been described by way of example, while remaining however within the concept of the invention. This apparatus can ensure effective separation with the rotor 17 and the anti-swirl fins attached to the hubs 28 and 29. However, this arrangement is clearly less effective for the redispersion of the sludge. When the rotors 10 and
17 are thus blocked with each other, it is possible to extend the anti-swirl fins 41 in the entry zone to connect them to the fins 20.
The apparatus may also operate to ensure normal separation if the drive is applied to rotor 17 and fins 41, but no longer to rotor 10. In such an arrangement, even if the anti-backwash fins are not fixed. relative to the outer rotor, they can be extended upwards to
make them assume the role of fins or inlet vanes 20. This can be easily achieved by moving the bearings 42 of the base
<EMI ID = 17.1> of the fins where they are in the drawing to bring them to a position closer to the ends.
It is possible for any technician to imagine various variants with a view to ensuring relative movement between the rotor 10 and the anti-backwash fins 41. If only the inertia of the parts is used, it is possible to brake and quickly stop the machine. rotor 10 and no longer the rotor 17, as described with reference to FIG. 1. If during the dispersion operation it is necessary to continue to supply energy to the apparatus, the motor 49 can continue its operation to drive the rotor 10 through a torque limiting clutch while the brake 44 is applied. Due to the very high fluid shear that occurs when the anti-backwash vanes are held stationary, the motor 49 cannot normally do rotate rotor 10 only to about 1 / sec of its normal angular speed.
Instead of using the curved tips 43, the anti-swirl fins can be made from a molded plastic material that is denser than the fluid, such as, for example, filled polyethylene. This solves the problem of fins getting stuck in the mud and can no longer rotate relative to the outer rotor during the dispersing process. In fact, when the inner rotor is driven in relative rotation par.rapport to the outer rotor, the flexible fins then retract from the mud. During the separation operation, when the apparatus rotates at high speed without relative displacement between the two rotors, they extend radially in a straight line from the inner rotor.
If electric coils are mounted inside the casing 30, the rotor 10 can then act like that of an induction motor. This eliminates the drive shaft 15 and the overall height of the apparatus can be reduced.
To fix ideas, in devices with a working capacity of 50 US gallons per minute (approximately 189 liters / minute) the rotor 10 has an internal diameter of 10 inches.
(approximately 254 mm) and rotor 17 an outer diameter of 4 inches
(approximately 101.6mm), each of which is 40 inches in length
(about 1 m). The motor 49 has a power of 10 hp and its speed is 3600 rpm, the drive being provided through a magnetic clutch and a liquid coupling. The maximum power absorption occurs when accelerating the device to bring it to its normal walking speed. The power required during operation is much lower.
It must also be understood that the above description has been given only by way of example and that it in no way limits the field of the invention, which would not be departed from by replacing the details of execution by all other equivalents.
CLAIMS
1. Vortex or vortex apparatus for separating the heavy and light fractions of a fluid, characterized by the combination of the following provisions:
an annular separation space delimited between an inner rotor and an outer rotor with a solid wall, these two rotors rotating in synchronism;
a first chamber communicating with said separation space and containing a first set of vanes forming vanes which impart angular movement to the fluid and which bring the latter to the aforementioned space following an axial flow;
- and several flow regulating fins or anti-backwash fins fixed to the inner rotor and which extend radially towards the outer rotor in order to reduce the hydraulic radius of flow of the fluid in the annular separation space and to contribute to decantation of the heavy fraction.