EP1958699A1

EP1958699A1 - Procédé et appareil permettant de perfectionner le fonctionnement des hydrocyclones

Info

Publication number: EP1958699A1
Application number: EP06013697A
Authority: EP
Inventors: Pol Huart
Original assignee: Genimin
Current assignee: Genimin
Priority date: 2006-07-01
Filing date: 2006-07-01
Publication date: 2008-08-20

Abstract

Procédé pour l'amélioration du fonctionnement de tout appareil de ségrégation de particules travaillant en centrifuge et en particulier les cyclone et hydrocyclones qui consiste à déloger de la paroi (10), par une nappe injectée de fluide, toutes les particules centrifugées sur celle-ci de manière à ce qu'elles soient soumises à un flux radial (5) de fluide responsable de leur ségrégation. Le fluide injecté est prélevé à la périphérie de l'overflow centrifugé de manière à soumettre les particules grenues mal classées à une nouvelle ségrégation mieux adaptée.

Description

Domaine de l'invention.

L'invention se rapporte au domaine des cyclones en général et des hydrocyclones en particulier. Ils sont appelés hydrocyclones dans le texte.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé et des appareils mettant en oeuvre ce procédé, qui permettent de réduire la proportion de particules mal classées dans l'underflow.
Une forme particulière de l'invention permet de recycler des particules grenues mal classées se dirigeant vers l'overflow.
Cette forme particulière de l'invention permet d'augmenter la dilution de la pulpe sans ajout de fluide additionnel.
Ces applications de l'invention conduisent à une diminution de l'imperfection et du d50.

Etat de la technique

Les hydrocyclones sont bien connus dans l'industrie pour épaissir des pulpes, en éliminer les schlamms et, en général, pour réaliser des séparations granulométriques pour des fines granulométries où le tamisage devient problématique.
La pulpe est un mélange d'un fluide et de particules de matière de granulométrie variée. Le fluide peut être de l'eau, c'est le cas des hydrocyclones, il peut être de l'air ou tout autre fluide.
Ainsi, l'hydrocyclone réalise une coupure granulométrique pour constituer deux fractions, l'une de plus fines particules, l'autre de plus grenues.
Cette opération utilise la centrifugation pour augmenter les vitesses de sédimentation. Cette séparation utilise la différenciation des vitesses de sédimentation en fonction de la granulométrie.
La pulpe est injectée tangentiellement à l'intérieur d'une cavité cylindrique formant la partie supérieure de l'hydrocyclone. Cette entrée se fait en général dans une conduite en forme de volute.
Les particules constituant la pulpe sont alors centrifugées grâce à la vitesse de rotation engendrée par cette injection qui nécessite une pression adéquate.
Un tube descend axialement dans ce cylindre. Il est ouvert à l'extérieur à la pression inférieure à celle existant dans le cyclone qui est le plus souvent la pression atmosphérique. La différence de pression entre l'intérieur du cylindre où la pulpe est mise en rotation rapide et la sortie de ce tube crée un écoulement. Ce tube étant situé axialement au cylindre, l'écoulement provoqué dans ce tube crée un écoulement radial dans le cylindre, de l'extérieur vers l'intérieur où se situe l'exutoire.
Les particules contenues dans la pulpe sont alors soumises à deux forces opposées : une force centrifuge générée par leur rotation et une force centripète générée par l'entraînement dans le courant radial.
Les particules sont entraînées du côté où la résultante des forces est prédominante, les particules fines sont entraînées dans le tube et les grenues sont centrifugées sur la surface cylindrique. La fraction de la pulpe évacuée dans le tube axial est appelée « overflow » (vocable anglo-saxon communément utilisé dans la littérature technique).
Les particules grenues continuent leur course en hélice dans une cavité conique qui débouche à une pression identique que celle de l'overflow (souvent la pression atmosphérique) par une évacuation appelée apex. Cette fraction de pulpe est appelée « underflow » (vocable anglo-saxon communément utilisé dans la littérature technique). La conicité de cette partie constitue un paramètre de fonctionnement des hydrocyclones. Cette conicité peut aller en diminuant vers l'apex en assemblant des éléments de conicité décroissante.
Cette cavité est conique afin d'entretenir au mieux la vitesse de rotation de la pulpe. En effet, l'extraction d'une fraction de son débit vers l'overflow entraîne une réduction de débit en aval. La vitesse de rotation est alors entretenue par le réduction du diamètre de la cavité cylindrique vers l'aval, c'est-à-dire vers l'apex.
Cette différence de pression génère l'écoulement en hélice de la pulpe centrifugée sur la paroi vers cet exutoire. Le réglage de la perte de charge à cet apex est un paramètre de réglage de la maille de coupure granulométrique désirée puisqu'il règle le débit de l'underflow.
Il arrive que le vortex soit parcouru par un écoulement ascendant d'air. Ce phénomène peut être évité.
La dimension de particule correspondante à une probabilité égale pour laquelle les particules plus grosses à cette dimension se dirigent vers l'underflow et les particules plus petites se dirigent vers l'overflow est appelées « d50 ».
L'idéal serait que toutes les particules plus petites au d50 aillent vers l'overflow et toutes les autres vers l'underflow. Ce serait la perfection. Il n'en est pas ainsi, et plus on s'écarte du d50, plus la probabilité qu'une particule parte du bon côté augmente. Plus cette probabilité augmente pour un écart donné de granulométrie, plus on s'approche de la perfection et plus un indice appelé « imperfection » diminue.
Le graphique de cette probabilité en fonction de la granulométrie est une courbe, appelée courbe de partage qui ressemble à une intégration de la courbe de Gauss d'une probabilité normale.
Cette courbe, qui représente la probabilité que les particules d'une dimension donnée aillent dans l'underflow, devrait partir de zéro. En effet, les particules de dimension proche de zéro devraient toute être entraînées par le courant d'eau radial et se retrouver dans l'overflow.
Lorsqu'on examine les courbes de partage de la séparation de tous les hydrocyclones, on remarque qu'elles ne partent pas de zéro comme la logique le laisserait penser. Cette courbe de partage est toujours décalée vers le haut.
Cela signifie qu'un certain pourcentage de particule se dirige vers l'underflow quelque soit leur taille. Ce pourcentage peut atteindre une valeur de 30%. Nous appelons ce phénomène un « dysfonctionnement » des hydrocyclones.
L'explication de ce dysfonctionnement vient de ce que la vitesse radiale du courant est nulle au niveau de la paroi et les fines particules ne sont pas donc entraînées vers l'intérieur ; ces particules accompagnent alors les particules grenues vers l'underflow.
Ce dysfonctionnement est très préjudiciable aux applications des hydrocyclones.
Dans le cadre du broyage par exemple, les hydrocyclones sont disposés à la sortie du broyeur afin de classer la pulpe qui en sort. Les particules supérieures à la dimension désirée (d50) sont renvoyées au broyeur alors que les particules qui ont atteint la bonne dimension sont extraites du circuit.
Ce dysfonctionnement des hydrocyclones provoque alors le retour au broyeur de particules qui sont inférieures à la dimension requise et subissent ainsi un surbroyage. Cela provoque une surconsommation énergétique et une surproduction de très fines particules qui risquent de gêner le procédé en aval. Ces fines particules augmentent la viscosité de la pulpe dans le broyeur qui est responsable d'une moins bonne efficacité de broyage.

Résumé de l'invention

L'invention vise à remédier au problème des particules fines mal classées, présent dans tous les hydrocyclones connus.
L'invention vise aussi à diminuer l'imperfection des hydrocyclones du côté des particules fines, mais aussi du côté des particules grenues.

Spécialement du côté des particules fines :

L'invention consiste à provoquer un courant de fluide tangentiel avec une composante radiale au niveau de la paroi cylindrique sur laquelle les particules sont centrifugées. De cette façon, les particules fines qui s'y trouvent y sont délogées afin d'échapper au piège qui les entraîne vers l'underflow. En effet, au niveau de la paroi où se trouve l'ensemble des particules centrifugées, il n'y a aucun écoulement de fluide radial qui soumet ces particules aux lois de ségrégation. Ce fluide injecté apporte cet écoulement désiré au niveau de la surface. De plus, cette injection de fluide permet d'apporter de l'énergie supplémentaire pour entretenir le mouvement rapide de rotation responsable de la ségrégation.

Spécialement du côté des particules grenues :

Le fluide injecté servant à déloger les particules est prélevé à la périphérie de l'overflow où des particules grenues mal classées ont toute les chances de se retrouvée centrifugées. L'overflow proprement dit est extrait par un tuyau centré sur ce premier tuyau. Le prélèvement de fluide servant à l'injection est donc prélevé dans l'espace annulaire entre ces deux tuyaux. Les particules grenues mal classées retourne dans le cyclone pour y subir une nouvelle ségrégation. Le design de l'alimentation de la fente d'injection sera exécuté de manière à ce que les particules soient orientées vers le côté underflow de la fente de manière à leur donner une chance supplémentaire de se diriger du bon côté.
Cette forme particulière de l'invention permet d'augmenter artificiellement la dilution de la pulpe sans ajout de fluide. Cette augmentation de dilution est parfois nécessaire pour diminuer le facteur de correction de la formule calculant le D50. Autrement dit, cette augmentation de dilution permettra de diminuer la valeur du D50 pour tout autre paramètre constant.
La configuration de la sortie de cette fraction doit favoriser sa rotation rapide pour centrifuger et récupérer les particules mal classées. Une sortie en volute s'impose. La pompe de circulation provoque le mouvement axial de son tuyau d'alimentation à grande vitesse qui se communique à la vitesse radiale dans l'espace annulaire via la volute.
Un rotor de pompe peut être installé sur l'axe interne de l'espace annulaire de prélèvement qui agit en accélérant la vitesse de rotation du fluide tout en augmentant sa hauteur manométrique afin d'être injecté dans le cyclone en circuit fermé.
L'invention s'inspire du procédé et de l'appareil décrit et revendiqué dans la demande de brevet européen 05020997.2/ EP05020997 (GENIMIN). Elle fait appel au principe de l'injection d'une lame d'eau tangentielle. Comme exposé dans le document 05020997.2/ EP05020997 , la fente d'injection d'eau peut être placée indifféremment. Dans la forme particulière de l'invention évoquée dans ce texte, la fente d'injection est placée parallèlement à l'axe du cyclone. Elle peut être inclinée.
La pulpe centrifugée chevauche, à chaque tour, la nappe de fluide injecté.
La direction de l'injection tangentielle de fluide peut comporter une composante axiale vers le haut ou vers le bas puisqu'une partie du fluide d'injection accompagnera l'underflow (vers de bas) ou l'overflow (vers le haut). Dans la forme particulière de l'invention décrite, cette direction d'injection n'a aucune composante axiale afin de ne privilégier aucun des exutoires. Le fait de disposer cette injection sans composante axiale permet de ralentir l'ouverture du pas de l'hélice vers l'underflow.
Les particules les plus grenues sont sédimentées avant d'avoir fait un tour complet alors que les plus fines ne le sont pas et sont donc entraînées par le courant radial provoqué par cette injection de fluide.
Cette forme particulière présente l'avantage de simplicité et de facilité de réglage de l'ouverture d'injection. En effet, ce réglage de l'épaisseur de la lame d'eau injectée peut se faire par la déformation de la paroi extérieure de la conduite rectangulaire d'injection. (voir description des figures).
La vitesse radiale exprimée en m/sec de cette injection est égale à son épaisseur exprimée en mètre multipliée par le nombre de passage par seconde. Ainsi, pour une vitesse de rotation de 3000 tours par minute et une épaisseur de lame de 5mm, la vitesse radiale est de 0,25m/sec.
L'invention concerne notamment un procédé performant pour la classification granulométrique d'une matière granulaire, selon lequel une suspension de ladite matière granulaire dans un milieu dispersif est soumise à une centrifugation dans un cyclone d'où l'on soutire une fraction grossière de la suspension et une fraction fine de la suspension. Le procédé se caractérise en ce qu'on injecte une nappe de fluide au niveau de la paroi afin que la suspension centrifugée vienne chevaucher cette nappe à chaque tour.
Dans une forme de réalisation de ce procédé performant, la direction susdite d'injection de la nappe fluide présente une composante tangentielle à la centrifugation qui l'entretient et une composante radiale qui entraîne les fines particules déclassées vers l'intérieur du cyclone. La direction d'injection peut aussi présenter une composante axiale au cylindre.
Dans le procédé performant susdit, le fluide est de préférence injecté de manière sensiblement continue dans la suspension.
Dans le procédé performant susdit, le milieu dispersif de la suspension peut être tout fluide, le plus souvent, ce fluide est de l'eau ou de l'air.
Dans une forme de réalisation particulière dudit procédé performant, on prélève une partie de la fraction fine précitée de la suspension pour constituer le fluide injecté, permettant de recycler des particules qui seraient mal classées dans l'overflow.

Brève description des figures

Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des figures annexées, qui représentent quelques formes de réalisation particulières de l'invention.

La figure 1 est une vue, en section axiale, d'un hydrocyclone antérieur à l'invention ;
La figure 2 est une vue analogue à la figure 1, d'une première forme de réalisation du cyclone selon l'invention ;
Les figures 3a et 3b montrent, en section transversale, le cyclone de la figure 2 dans deux réglages distincts ;
Les figures 4a et 4b sont des figures analogues à celles des figures 3a et 3b et montrent une variante de réalisation du cyclone de la figure 2 ;
La figure 5 montre, en plan, un détail de l'hydrocyclone de la figure 2 ;
La figure 6 est une vue analogue à la figure 1 d'une autre forme de réalisation de l'hydrocyclone selon l'invention.
Les figures ne sont pas dessinées à l'échelle.

Description détaillée de modes de réalisation particuliers

La figure 1 montre un hydrocyclone classique qui se trouve sur le marché. La réalisation est souvent modulaire et l'assemblage des sous ensembles se réalise souvent par l'intermédiaire de brides. De haut en bas, nous trouvons ainsi le tube d'extraction (1) de la fraction fine (overflow) fixé au centre de l'élément (2) qui assure l'injection tangentielle qui centrifuge la pulpe à séparer.
Une section cylindrique (3) est fixée sur cet élément d'injection sur laquelle est centrifugée la pulpe. Le mouvement de la pulpe (4) induit par sa mise en rotation est en hélice puisqu'une composante axiale est nécessaire pour permettre son évacuation. Cette section cylindrique permet de donner le temps aux particules d'être centrifugée contre la paroi. Le tube (1) pénètre au niveau de ce cylindre (3) et débouche à une pression plus basse que celle présente dans le cyclone (en général la pression atmosphérique). Il se crée un courant d'évacuation qui provoque un écoulement radial (5) vers cet exutoire et une diminution du débit de pulpe à l'aval de l'hydrocyclone. Afin de maintenir la rotation de la pulpe et maintenir les particules centrifugées sur la paroi, sa section décroît. Cet élément est alors en forme de cône qui peut être constitué de plusieurs éléments à conicité décroissante (6-7). La section conique débouche à la même pression que la sortie du tube (1) précité (en général la pression atmosphérique). Cet orifice de (8) est appelé l'apex qui permet l'évacuation de l'underflow.
La pulpe en rotation suit un mouvement en hélice de haut en bas à la périphérie du cyclone vers l'underflow et de bas en haut en son centre vers l'overflow. Cet écoulement central est appelé vortex. Il arrive que ce vortex soit creux et parcouru par un noyau d'air de l'apex vers l'overflow. Les techniques connues permettent d'éliminer ce noyau d'air.
L'hydrocyclone représenté à la figure 2 est conforme à l'invention. Il comprend à cet effet un sous ensemble supplémentaire (9) qui vient se fixer entre le cylindre et le cône ou entre deux sections cylindriques successives.
Dans la forme particulière décrite, la surface intérieure (10) de ce sous ensemble est cylindrique correspondant au diamètre du cylindre des hydrocyclones. L'injection se fait par une fente (11) qui se trouve hors du gabarit du cylindre. La surface extérieure de cette fente rejoint la surface cylindrique par une volute (12).
Dans la forme particulière décrite une façon simple de régler l'épaisseur de la lame d'eau se fait en modifiant le profil de la surface externe de la conduite d'alimentation (fig3 et 4) qui ouvre et ferme la fente d'injection. Le sens de l'injection définit un côté aval (11) et un côté amont (14) de la conduite d'injection (15).
La surface de sédimentation (10) des particules centrifugées est constituée d'une plaque courbe résistante à l'abrasion (16). Cette plaque d'usure courbe protège la structure du sous ensemble (16) et y est fixée par vis extérieure (17) de manière à garder la surface intérieure rigoureusement lisse.
Ces fixations s'interrompent au niveau de la volute d'entrée de l'injection d'eau permettant la déformation de cette plaque courbe.
Du côté amont, une tôle (18) ferme une cavité (19) qui permet le mouvement linéaire de la plaque entre cette tôle et la surface intérieure du sous-ensemble. Cette flexibilité de la tôle lui permet de ne pas s'opposer à la faible rotation de la plaque. Cette tôle est fixée sur une pièce (20), elle même fixée au sous-ensemble servant de portée à la conduite d'alimentation de fluide d'injection.
Le réglage de l'épaisseur de la fente se fait par à chaque extrémité par une vis (25). L'effort de ces deux vis de réglage est réparti sur toute la largeur de la plaque grâce à un renfort rigide (26) solidaire de la plaque d'usure (10).
Sur le côté opposé de la cavité d'alimentation est fixée une pièce d'usure (27) qui assure la jonction entre la nappe de fluide injecté et la pulpe en rotation dans le cylindre. La plaque d'usure courbe (10) doit être suffisamment élastique pour permettre sa déformation, (le polyuréthane se prête bien à cette application). La pièce de jonction (27) doit être, au contraire, très rigide pour éviter toute déformation. Ceci est une raison pour que ces deux pièces (la plaque et la jonction) soient distinctes et réalisées dans des matériaux différents.
Ce type de montage permet d'extraire cette pièce sans démontage du sous-ensemble et la remplacer en cas d'usure. Une rainure de guidage (28) est réalisée dans les plaques de fermetures supérieure et inférieure (Fig 5) qui ferment le sous-ensemble. Ces plaques referment latéralement le plan de pose de la tuyauterie d'injection et assure la fixation aux sous-ensembles adjacents par vis dans les trous filetés aménagés dans ces plaques (29). Ces plaques sont fixées au sous-ensemble par vis à têtes fraisées de manière à maintenir plan la surface de pose aux sous-ensembles adjacents (position des trous (30)).
La déformation peut être provoquée, non pas par la déformation élastique du revêtement comme exposé, mais par le mouvement de deux plaques courbes rigides (31,32), articulées sur rotules linéaires (33) (fig 4). Le réglage de l'ouverture de la fente se fait toujours par vis de poussée (25) accessible de l'extérieure du sous-ensemble.
La rotule linéaire est réalisée par le fraisage cylindrique (convexe et concave) des côtés limitrophes de ces plaques. Le côté opposé de la plaque aval (34) est aussi articulé sur une même rotule linéaire dont le côté concave est fraisé dans le revêtement de protection de la surface cylindrique du sous-ensemble (10), de même épaisseur que ces plaques articulées. Le côté convexe des rotules est situé en amont de manière à ce que l'arête de la rotule soit orientée dans le sens de l'écoulement. Le côté amont (14) de la plaque amont glisse sur le face interne du sous-ensemble. La plaque est repoussée par un ressort (35) et maintenue contre la paroi interne par une tôle déformable fixée sur une pièce (36), elle même fixée sur le sous-ensemble. Cette pièce sert de plan de pose à la tuyauterie d'alimentation du fluide d'injection.
Cette seconde forme particulière de l'invention présente le désavantage par rapport à la première de concentrer la modification de courbure au niveau des rotules. Cela est moins favorable aux écoulements qui doivent éviter toute variation ponctuelle de direction.
Dans une forme particulière et avantageuse de l'invention, le fluide d'injection est prélevé sur l'overflow (cf fig 6) à sa périphérie, dans l'espace annulaire entre le tube de sortie de l'overflow (37) et le tube externe (38) qui descend dans l'hydrocyclone pour collecter l'overflow.
Ce prélèvement subit une augmentation de sa hauteur manométrique dans une pompe (39) afin d'être injecté à la pression requise. Cette forme particulière de l'invention permet de réaliser l'injection sans apport additionnel de fluide. La forme de la sortie de ce prélèvement est en volute (40) de manière à ce que la vitesse du fluide communiquée par la pompe de circulation permette d'entretenir au mieux la vitesse de rotation dans l'espace annulaire de prélèvement et permettre aux particules mal classées d'être captée dans cet espace annulaire périphérique.

Claims

Procédé pour l'amélioration du fonctionnement de tout appareil de ségrégation de particules travaillant en centrifuge et en particulier les cyclone et hydrocyclones qui consiste à déloger de la paroi (10) toutes les particules centrifugée sur celle-ci de manière à ce qu'elles soient soumises à un flux radial (5) de fluide responsable de leur ségrégation.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le terme ségrégation porte sur toute ségrégation dont la plus courante est la ségrégation granulométrique.
Procédé selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide (5) est injecté de manière sensiblement continue dans une pulpe (4) centrifugée
Procédé selon les revendication précédentes, caractérisé en ce que le fluide (5) est injecté par une fente (11) disposée de manière la plus appropriée et, notamment, parallèle à l'axe de l'hydrocyclone.
Procédé selon les revendications précédentes, selon lequel la vitesse d'injection présente une composante radiale qui provoque l'entraînement, vers l'intérieur de l'appareil, des particules constituant la pulpe (4).
Procédé selon les revendications précédentes, selon lequel l'énergie apportée par le fluide injecté (5) entretient la vitesse de centrifugation de la pulpe (4).
Procédé selon les revendications précédentes, selon lequel le fluide d'injection (5) est prélevé sur l'overflow (22) permettant une circulation en circuit fermé permettant d'augmenter artificiellement la dilution de la pulpe (4) au niveau où se déroule la ségrégation.
Procédé selon les revendications précédentes, selon lequel le fluide d'injection (5) est prélevé à la périphérie de l'overflow (22) permettant aux particules mal classées de subir une nouvelle ségrégation
Procédé selon les revendications précédentes, selon lequel la sortie du prélèvement se fait dans une cavité en volute permettant une transition du mouvement rotatif en hélice vers un écoulement axial le dirigeant vers la pompe rotative de mise en pression.
Procédé selon les revendications précédentes, qui peut se présenter comme un sous ensemble (9) adapté à être assemblé à chaque type d'hydrocyclone ou cyclone de fabrication modulaire ou tout autre appareil de ségrégation.
Procédé selon les revendications précédentes, permettant de régler l'épaisseur de la lame de fluide injecté par déformation de la surface extérieure de la conduite d'alimentation du fluide injecté.
Procédé selon les revendications précédentes, qui utilise le revêtement de protection anti-abrasion comme surface de déformation permettant la fermeture de la fente d'injection.
Procédé selon les revendications précédentes, selon lequel une pièce rigide, amovible de l'extérieur, réalise la jonction des deux flux (fluide d'injection et la pulpe en rotation).