SEPARATEUR CENTRIFUGE A FLUX LAMINAIRE DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un séparateur centrifuge à flux laminaire. Ce séparateur a été conçu pour les mélanges fluides contenant des solides, des liquides ou des gaz en proportions variées, mais avant tout des mélanges contenant des suspensions solides dans des phases liquides, qu'il s'agit de séparer en au moins une fraction liquide et une fraction contenant le solide. On recherche alors une bonne séparation des constituants du mélange et on obtient une fraction solide se présentant sous une forme compacte, dite de gâteau, avec une teneur résiduelle relativement faible du liquide de suspension. Même lorsque la formation d'un gâteau conduit à une forte résistance à l'écoulement, voire une forte réduction de section de ce dernier, on cherche en général à extraire cette fraction solide du séparateur, et si possible de façon continue malgré sa nature compacte, à mesure qu'elle se forme dans le bol tournant, sans lui permettre de s'y accumuler. Cet objectif n'est généralement pas atteint avec les séparateurs existants, dont beaucoup imposent au contraire des arrêts périodiques du procédé, néfastes à son rendement, pour enlever le gâteau. Les séparateurs qui prévoient un enlèvement continu de la fraction solide ne permettent normalement pas d'obtenir de gâteaux ayant une siccité suffisante.
De nombreux séparateurs centrifuges existent en effet. On citera le document WO-A-2007/133 161, qui décrit un séparateur qui possède certaines ressemblances superficielles avec l'invention. Il comprend comme pièce principale un bol tournant de forme biconique dans lequel la séparation s'effectue. Le mélange est introduit dans le bol par un conduit creux, qui correspond à l'axe de support et de rotation du bol. La fraction solide, plus lourde, est dirigée à la périphérie du bol et plus particulièrement dans la zone de renflement correspondant à la jonction des cônes. L'ouverture de perçages périphériques à cet endroit permet de la prélever, alors que la fraction fluide s'élève vers le haut du bol, à mesure qu'on ajoute du mélange, et ressort par une ouverture située au sommet du bol à l'opposé de l'ouverture d'introduction. Des structures coniques, appelées assiettes, s'évasant vers le bas et entraînées en même temps que la paroi du bol, occupent la plus grande partie du volume interne de celui-ci. Elles servent à cloisonner différentes portions du mélange et contribuent à homogénéiser les conditions de séparation à l'intérieur du bol. Ce dispositif ne permet toutefois pas d'obtenir une fraction solide aussi homogène ou compacte que souhaité, et un prélèvement continu de cette fraction est difficile. On pourra encore citer le document WO-A-2012/025416, qui décrit un séparateur dont la chambre est aussi occupée par des assiettes de séparation, toutefois percées de place en place pour dégager des chenaux axiaux qui favorisent un écoulement axial de la charge fluide, et sa distribution dans l'empilement d'assiettes. Un mouvement centripète du fluide est toutefois imposé dans le bol entre des orifices d'entrée radialement extérieurs et des orifices de sortie radialement intérieurs, ce qui donne encore pour l'essentiel une canalisation de l'écoulement en filets parallèles et séparés et diffère donc peu de la conception du document précédent. Le fluide se sépare de la fraction solide, qui sort de la paroi périphérique du bol par des ouvertures latérales et se dépose sur une vis extérieure entraînée par cette paroi. Une autre paroi tournante, mais à une vitesse un peu différente, entoure la vis et retient la fraction solide tout en lui faisant parcourir la vis et finalement quitter le dispositif grâce à sa vitesse de rotation différente. Ici encore la séparation des fractions n'est pas d'une grande efficacité. Dans le domaine des appareils proposant une enceinte extérieure en rotation, de bonnes performances de drainage sont obtenues avec les équipements de WO-A2009/005355 et WO-A-2011/028122 qui intègrent un mode de rotation à garnissage interne et enceinte extérieure en forme de fût. Le garnissage interne est composé d'assiettes ou de plaques disposées en spirale. La mise en oeuvre d'un écoulement laminaire n'est jamais envisagée ou mentionné comme possibilité d'amélioration. Les séparateurs à assiettes ont fait l'objet d'améliorations pour éviter l'accumulation de 30 matières solides et l'apparition de balourd dans la centrifugeuse. Une solution proposée consiste à ajourer les assiettes ou de mettre en place des disques de séparation en partie inférieure et supérieure du garnissage (WO-A-2012/033440). Ce type de développement concerne plus particulièrement le traitement de liquides ou de gaz faiblement chargés (lavage). Les perfectionnements apportés par l'invention dépendent principalement de la création d'un écoulement laminaire et régulier à l'intérieur du bol tournant : il a été constaté en effet qu'un gâteau solide plus compact et sec était obtenu au moyen d'un tel écoulement, qui produit une meilleure séparation des phases. Une forme générale de l'invention est un séparateur centrifuge comprenant un bol tournant à paroi périphérique, une structure de séparation située dans le bol et tournant de façon synchrone au bol, un conduit d'entrée d'un mélange situé sur un axe de rotation du bol et s'ouvrant dans le bol, le bol comprenant au moins un orifice de sortie de fractions liquides ou gazeuses du mélange à un premier côté axial du bol, où la structure de séparation comprend un empilement de cônes divisés en des secteurs angulaires formant des secteurs séparés par des intervalles angulaires, les intervalles angulaires étant couverts par les secteurs des cônes immédiatement voisins, et les secteurs ont des extrémités périphériques à une distance identique de la paroi périphérique. Les structures coniques discontinues composées de secteurs séparés par des intervalles 30 permettent un mouvement axial progressif et régulier du mélange à travers elles. L'écoulement du fluide est beaucoup plus régulier que dans les conceptions précédentes et s'effectue essentiellement en spirale, sans changements brusques de direction entre les extrémités du bol. Le champ des vitesses est aussi beaucoup plus uniforme. La conséquence est qu'un écoulement laminaire peut être obtenu sans difficulté, et que la séparation de la fraction fluide et de la fraction solide est bien meilleure. Celle-là se dépose sur la paroi périphérique du bol, ainsi qu'il est usuel, et pourra ensuite être enlevée. Ni le dépôt de la fraction solide ni son éventuel enlèvement simultanément à la séparation ne perturbent réellement l'écoulement, qui reste essentiellement spiral. Il est avantageux, afin de renforcer la régularité de l'écoulement, que la paroi périphérique du bol soit définie par une génératrice rectiligne devant les secteurs (par opposition à la forme biconique par exemple), et mieux encore que le bol soit cylindrique et les cônes tous identiques entre eux.
L'invention est en général mieux mise en oeuvre quand le gâteau correspondant à la fraction solide peut être retiré régulièrement et progressivement. On préconise alors que l'ouverture soit située sur un second côté axial du bol, opposé audit premier côté où la fraction fluide sort, s'étende sur une circonférence du bol et soit adjacente à un bord d'une paroi latérale du bol. Il est alors possible d'ajouter un racleur incliné traversant l'ouverture et s'étendant devant une face interne de la paroi latérale du bol ; une transmission assure une vitesse de rotation différentielle entre le bol et le racleur à partir d'un moteur unique d'entraînement du séparateur, ce qui impose une petite vitesse relative du racleur à l'intérieur du bol, qui effectue le raclage souhaité. Le séparateur centrifuge peut être avantageusement équipé de deux moteurs, l'un pour la rotation du bol et l'autre pour la rotation du système d'extraction des solides. Cette disposition permet de piloter indépendamment la partie centrifuge et la partie racleuse et de soutirage sans les contraintes d'accouplement liées à un différentiel. Une réalisation particulière et purement illustrative de l'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures suivantes, qui en dévoilent ses différents aspects : - la figure 1 est une vue extérieure d'une réalisation du séparateur ; - la figure 2 dévoile plus particulièrement ses parties motrices (en configuration à un moteur d'entraînement) ; - la figure 3 présente une configuration à deux moteurs d'entraînement -la figure 4 est une vue de ses constituants tournants qui assurent la séparation des fractions et l'enlèvement du gâteau -la figure 5 illustre encore le séparateur dans son ensemble, cette fois en coupe ; -et les figures 6A, 6B et 6C représentent plus particulièrement le garnissage du bol tournant et des variantes de réalisation.
Le séparateur comprend un bol tournant 1, constitué par un fût cylindrique formant une paroi latérale 8, et un axe central 2. L'axe central 2 et le bol tournant 1 sont retenus entre une tête statique 3 supérieure et un châssis 4 inférieur, qui sont maintenus à des positions invariables. Le mélange est introduit par un conduit 5 contenu dans l'axe central 2, ici par le haut et la tête statique 3, et arrive dans le bol tournant 1 par des ouvertures 6 qui peuvent être situées au bas du conduit 5 ou réparties sur sa hauteur. L'axe central 2 porte des structures coniques composées de secteurs 7 séparés et analogues à des fleurs, superposés sur toute ou partie de la hauteur du fût jusqu'au collecteur de récupération du liquide 20, et inclinés en s'étendant vers la paroi latérale 8 du bol tournant 1 et vers le bas. Les secteurs 7 sont décalés angulairement d'un étage à un autre, de sorte que leurs intervalles 9 sont couverts par un secteur 7 supérieur et qu'un écoulement purement axial à travers l'empilement des structures est impossible. La fraction liquide du mélange, obtenue par séparation et comprenant du liquide clarifié à faible teneur solide, s'évacue du bol tournant 1 par un collecteur 20 en rotation logé dans la tête statique 3 puis un orifice supérieur 10. La fraction solide, se dépose sur la face interne de la paroi latérale 8 avant de quitter le bol tournant 1 et de sortir du séparateur par un orifice inférieur 11, de la façon qu'on décrira plus loin. Par exemple, dans la réalisation de la figure 2, un moteur 12 fait tourner une vis d'extraction 19 et un racleur 15 décrit plus loin par l'intermédiaire d'un différentiel 26 et d'une première transmission 13 comprenant une courroie crantée 27 et des roues dentées. Il existe aussi une seconde transmission 14 qui entraîne le bol tournant 1 (et notamment sa paroi latérale 8, l'axe central 2, le collecteur 20, le déflecteur 22 et les secteurs 7) à une vitesse de rotation pouvant être différente de celle du racleur 15 et de la vis d'extraction 19 et comprend encore une courroie crantée 28 et des roues dentées. Un support 21 soutient le poids du bol tournant 1 et de l'axe central 2 tout en permettant leur rotation. Ce support 21 peut être annulaire de grand diamètre afin de soutenir le bol tournant 1 sur toute sa périphérie. Le racleur 15 comprend une ou des lames 17 inclinées, montées sur un support 18 circulaire commun et qui s'étendent à l'intérieur du bol tournant 1, sur une partie de sa hauteur, devant la face interne de la paroi latérale 8. Le support 18 s'étend sous une base conique inversée 22 appelé déflecteur, liée à l'axe central 2, du bol tournant 1 ; les lames 17 s'étendent à travers une ouverture 23 de fond du bol tournant 1, entre la base 22 et le bas de la paroi latérale 8, et pénètrent donc dans celui-là. Comme la vitesse de rotation du racleur 15 est un peu différente de celle du bol tournant 1 lors de l'évacuation des solides, l'inclinaison des lames 17 combinée à leur déplacement dans le bol tournant 1 fait descendre le gâteau solide progressivement vers le bas du séparateur. Il quitte le bol tournant 1 à travers l'ouverture 23 et choit sur la vis de convoyage 19 située sous le support 18, qui l'emporte à l'orifice de sortie 11.
Dans la réalisation un peu différente de la figure 3, deux moteurs 29 et 30 remplacent le moteur 12 et animent respectivement les transmissions 13 et 14 aux vitesses voulues, aucun différentiel n'étant nécessaire. Hormis les lames 17 du racleur 15 et la vis d'extraction 19 qui peuvent tourner à une vitesse différente, tout le contenu du bol tournant 1 tourne à la même vitesse et est donc soumis à des conditions régulières, qui favorisent l'écoulement laminaire. De plus, les formes géométriques simples de la paroi latérale 8 et les secteurs 7 empilés et décalés angulairement produisent une composante angulaire régulière de l'écoulement. Comme l'écoulement est régulier, la séparation de la fraction solide et de la fraction fluide est beaucoup moins perturbée, et son résultat est donc bien meilleur. L'invention permet d'obtenir de fortes valeurs de siccité supérieures à 65 %, de la fraction solide selon la nature des suspensions traitées. Elle peut être appliquée à des solides difficilement filtrables, notamment en cristaux de formes irrégulières et allongées, dont ses exemples sont des co-précipités d'oxalates d'actinides, utilisés dans l'industrie nucléaire. Elle peut trouver emploi dans d'autres procédés de cette industrie, ou, pour citer des exemples complètement différents, dans l'agro-alimentaire, la pharmacie, la cosmétologie, les biocarburants, l'environnement, etc. où les produits solides sont souvent des produits organiques de formes irrégulières.
On rappelle que l'invention n'est pas limitée à la séparation de mélanges diphasiques solides-liquides où le solide est plus lourd : elle est au contraire applicable à des mélanges fluides de toutes natures et permet d'envisager des séparations triphasiques en rajoutant un troisième point de soutirage; la fraction solide mentionnée dans cette description d'après l'application principalement envisagée est plus généralement une fraction lourde, et la fraction fluide une fraction légère. L'enlèvement de la fraction solide simultanément à la séparation n'est pas nécessaire au bon fonctionnement du séparateur, même s'il autorise un fonctionnement continu qui est très souvent apprécié ; les caractéristiques de séparation favorable subsistent même avec un dépôt important de la fraction solide. L'invention se prête aussi bien à des procédés de lavage des solides par repulpage, où la fraction solide est remise en suspension par un solvant et soumise à une seconde séparation pour améliorer sa qualité. La réalisation décrite ici se prête bien à une modularité par remplacement de pièces, le bol tournant 1 et l'axe central 2 porteur des secteurs 7 25 pouvant en particulier être remplacés facilement par d'autres garnissages internes, de dimensions différentes, de géométries différentes selon les besoins. Le décalage angulaire des secteurs d'un 30 empilement à l'autre peut dépendre de leur forme et des caractéristiques souhaitées de l'écoulement. D'autres caractéristiques des secteurs 7 peuvent aussi être modifiées : c'est ainsi qu'ils peuvent être munis d'extensions les reliant. On représente à la figure 6A un empilement des secteurs 7 conforme à la description qui précède, à la figure 6B un empilement de secteur 7 dont les secteurs 7 appartenant à des empilements voisins sont des plaquettes qui s'étendent axialement et radialement dans l'appareil. Enfin, la figure 6C illustre d'autres extensions 32 plus longues, qui s'étendent de même jusqu'à un secteur 7 de l'empilement voisin, mais qui est ici plus éloigné. Les extensions 31 ou 32 servent à mieux entraîner le mélange en rotation et aident à la circulation de la fraction liquide par un trajet en spirale régulière ; le cloisonnement qu'ils introduisent ne modifie guère l'écoulement. Les secteurs 7 peuvent être en métal ou en plastique renforcé par exemple. Leur déformation sous les forces centrifuges est souvent acceptable, et elle peut être réduite par des cales ou des entretoises. Parmi divers perfectionnements et aménagements qu'on peut apporter au séparateur, les suivants peuvent être notés. Les secteurs 7 des cônes voisins peuvent 25 être successivement décalés angulairement, donnant une composante hélicoïdale de l'écoulement satisfaisante pour des valeurs habituelles d'écartement des cônes. Des entretoises calibrées 33 peuvent séparer les cônes, en étant par exemple enfilées 30 alternativement avec eux sur l'axe central 2, avec la faculté de faire varier l'écartement des cônes. Un ressort 34 peut être disposé dans l'empilement des cônes, par exemple entre le cône supérieur et le collecteur 20. Ce ressort 34 peut être une rondelle élastique ou tout autre dispositif ayant la même finalité. Afin de maintenir les écarts constants entre les secteurs 7 empilés on peut disposer avantageusement des picots ou excroissances disposés sur eux en sus des entretoises 33.
Le séparateur peut être pourvu d'une pluralité d'orifices de sortie 10, dans le cas où la fraction fluide serait composite et formée de plusieurs constituants de densités différentes. L'orifice de sortie - ou les orifices de sortie - peut être équipé d'une bague mobile 35 qui lui donne une ouverture réglable, afin d'ajuster les caractéristiques de l'écoulement à travers le séparateur et notamment son débit. La vis de convoyage peut devenir toujours plus étroite vers le bas, ce qu'on représente bien à la figure 5, afin de comprimer toujours plus le gâteau et d'en exprimer du liquide résiduel. Le racleur 15 et la vis de convoyage 19 peuvent avoir une portion 36 enfilée sur l'axe central 2 afin de maintenir leur coaxialité et de favoriser la bonne cohésion du séparateur. Il est enfin avantageux que la paroi périphérique 8 du bol tournant 1 soit transparente pour permettre de suivre l'accomplissement du procédé.30