[0001] La présente invention se rapporte à un procédé permettant d'obtenir des suspensions
de poudres dans un ou plusieurs liquides, de stabilité, dans le temps, fortement améliorée.
Elle comprend également un appareil perfectionné pour la mise en oeuvre de ce procédé,
ainsi qu'une méthode de détermination de la stabilité des suspensions.
[0002] La préparation d'un mélange de poudre avec un liquide, où des particules solides
sont uniformément dispersées dans le liquide, constitue une opération industrielle
importante, étant donné l'intérêt pratique que présentent différentes suspensions,
notamment peintures, pesticides, cosmétiques, médicaments, produits d'entretien, combustibles,
etc. Il est en général nécessaire que ces suspensions soient des mélanges homogènes
et aussi stables que possible, c'est-à-dire résistant longtemps à la sédimentation
de leurs particules solides. Lorsqu'un tel produit comprend plusieurs phases liquides,
immiscibles entre elles, celles-ci ne doivent pas se séparer.
[0003] L'agitation convenable du mélange, qui constitue l'opération fondamentale de la préparation
d'une suspension, joue un rôle important, aussi diverses techniques d'agitation sont
utilisées : agitation mécanique en cuve, avec des mobiles de type turbine, hélice,
vis, ruban hélicoldal, ancres, etc., ou l'agitation mécanique en conduite, avec des
mélangeurs en ligne, en particulier à turbine ou à vis. Un mode d'agitation fort efficace
consiste à soumettre le mélange à l'action d'ondes d'ultrason, solution coûteuse.
[0004] L'obtention d'une bonne stabilité de la suspension nécessite le plus souvent l'adjonction
d'un additif choisi parmi des composés chimiques connus comme agents de dispersion,
tensioactifs ou épaississants. Une telle addition élève le coût de l'opération et
exige un dosage délicat.
[0005] La présente invention apporte l'avantage de permettre l'obtention de suspensions
de stabilité grandement améliorée, sans recours aux ultrasons ni aux additifs chimiques.
[0006] Le procédé suivant l'invention, qui consiste à agiter le mélange d'un ou de plusieurs
liquides avec une poudre, pour former une suspension de celle-ci dans les liquides,
est caractérisé en ce que, les dimensions des grains de la poudre ne dépassant pas
100 microns, l'agitation est effectuée de la façon à soumettre le mélange à un cisaillement
d'au moins 8000 s
-1.
[0007] De préférence, le cisaillement, produit au sein du mélange, est de 10000 à 60 000
s
-1, et surtout de 15000 à 40000 s
-1.
[0008] Etant donné l'échauffement auquel une telle agitation donne lieu, le procédé comprend
éventuellement un refroidissement, afin d'éviter la montée de la température au dessus
de celle qui pourrait être préjudiciable à la stabilité des composants du mélange.
Ainsi, selon la nature des substances en jeu, la température du mélange en cours d'agitation
est-elle réglée à la valeur appropriée. Le plus souvent elle est comprise entre 20°
et 100°C, lorsque le mélange traité contient de l'eau, de préférence entre 60° et
95°C.
[0009] Bien que la condition de grosseur des grains de la poudre, ne dépassant pas 100 µm,
soit suffisante, il est préférable d'opérer avec des poudres les plus fines possibles.
En particulier, est-il bon d'utiliser une poudre dont 80% ont une granulométrie inférieure
à 60 µm et 50% moins de 30 µm.
[0010] Les proportions de solide et de liquide,dans les suspensions suivant l'invention,
peuvent varier largement, mais en général la teneur pondérale en solides ne dépasse
pas 50%, étant le plus souvent comprise entre 20 et 50%, en particulier entre 30 et
45%.
[0011] Lorsque le mélange doit contenir deux liquides immiscibles, il est recommandable
de commencer par les émulsionner ensemble, et - dans un second temps - leur incorporer
la poudre et homogénéiser le tout,en pratiquant l'agitation selon le mode décrit plus
haut.
[0012] L'appareil particulier, pour la réalisation du procédé de l'invention, est un mélangeur
comprenant un rotor tournant dans un stator, un entrefer suffisamment étroit étant
prévu entre ces deux parties,pour réaliser des cisaillements d'au moins 8000 s
-1.
[0013] De préférence ce mélangeur présente les caractéristiques d'une pompe aspirant le
liquide en amont de l'entrefer pour le refouler à l'aval de celui-ci.
[0014] Dans une forme préférée de l'appareil, une ou plusieurs pales mobiles sont montées
transversalement à l'aspiration du mélange ; la ou les pales contribuent à prémélanger
les matières à traiter, et favorisent l'aspiration du mélange dans l'espace entre
les rotor et stator.
[0015] Bien que la largeur, en valeur absolue, de l'entrefer dépende de la nature des matières
en présence, notamment de la viscosité du mélange, les entrefers usuels sont en général
d'environ 0,5 à 2,5 mm, et le plus souvent de 0,8 à 1,8 mm, pour des appareils permettant
une vitesse périphérique de l'ordre de 10 m/s.
[0016] Des entrefers plus larges peuvent être employés avec des vitesses de rotation plus
grandes.
[0017] L'invention peut être appliquée à des nombreuses matières, comme par exemple pigments,
tels qu'oxydes de titane, de fer, d'alumine ou de zinc, sulfure de zinc, chromate
de plomb, noir de carbone, laques et autres, pesticides comme oxychlorure de cuivre,
éthylène-bis dithiocarbamates de Zn et Mn, soufre, etc., combustibles, notamment poudre
de charbon. Les liquides, dans lesquels sont dispersées les poudres, peuvent être,
par exemple, des huiles végétales ou minérales, en particulier l'huile de lin cuite,
des solutions de résines dans des solvants organiques, des hydrocarbures,du pétrole
ou autre combustible liquide, de l'eau et un fluide organique hydrophobe, sous la
forme d'une émulsion, comme c'est par exemple le cas pour certaines compositions pesticides
et pour des combustibles à base de poudre de charbon.
[0018] Cette dernière application est particulièrement avantagée par l'utilisation du procédé
de la présente invention. En effet, celle-ci permet d'obtenir des suspensions charbon-
eau-combustible liquide de stabilité améliorée, contenant plus d'eau qu'il n'y en
a en général dans ce genre de suspensions combustibles de la technique connue.
[0019] Ainsi peut-on obtenir des mélanges liquides, par exemple composés en poids de 40
à 50% de particules de charbon, 10 à 20% d'eau, le reste étant une fraction du pétrole,
en particulier un fuel lourd ; la suspension reste stable durant au moins 3 mois à
60°C, malgré la forte teneur en eau, qui - dans l'art antérieur - ne dépassait généralement
pas 10%, afin d'éviter une viscosité trop grande et la sédimentation rapide du solide
dispersé. Plus particulièrement d'excellentes suspensions combustibles, fluides, obtenues
par le procédé de l'invention, titrent 41 à 47% en poids de charbon en particules
de 10 à 100 um, 14 à 20% d'eau, le reste étant une fraction hydrocarbonée, connue
sous le nom de fuel lourd n°2 ; la viscosité, qui ne dépasse pas 10 Pl à 60°C, permet
le pompage aisé de ce produit.
[0020] Comme indiqué plus haut, grâce au fort cisaillement, produit suivant l'invention,
il n'est plus nécessaire - en général - d'ajouter au mélange traité des agents de
dispersion. On peut néanmoins utiliser tout-de-même un tel agent, afin de faciliter
encore davantage la préparation et la conservation de la suspension. Dans ce cas le
dosage de l'additif devient beaucoup plus aisé que dans la technique connue, et il
en faut bien moins ; par exemple 0,2% de dispersant suffisent là où le procédé connu
en exigerait 0,4 à 0,6%.
[0021] L'invention se rapporte également à un nouveau mode de détermination de la stabilité
de suspensions de poudres dans des liquides. Ce procédé comprend la mesure de la viscosité
relative du milieu à différents niveaux au sein de la suspension, en fonction des
temps de conservation.
[0022] L'invention est caractérisée en ce qu'à partir du profil de viscosité, ainsi obtenu,
on trace une courbe de sédimentation de la forme h/H = j(t) où h est la hauteur du
niveau, au sein de la suspension, auquel on trouve une certaine lecture L d'un viscosimètre,
H est la hauteur totale de la suspension étudiée et t le temps de conservation ou
stockage de celle-ci. Le diagramme suivant l'invention comporte une courbe h
o/H = f(t),h
o désignant la hauteur, à partir du fond de la suspension, à laquelle le viscosimètre
fournit une indication L pratiquement nulle, et une courbe h
100/
H = f(t) où h
100 est la hauteur correspondant à une lecture L d'au moins 100.
[0023] Le diagramme, ainsi tracé, permet de connaître l'état de sédimentation de la suspension
à un temps donné.
[0024] Suivant une forme préférée de l'invention, les longues durées de stockage des suspensions
sont simulées par des centrifugations appropriées ; cela permet de connaître, après
des minutes ou heures de centrifugation, la sédimentation qu'une suspension subirait
après des mois ou années de repos statique. Par comparaison de quelques diagrammes
suivant l'invention, tracés après m mois de stockage de suspensions, avec ceux que
donnent les suspensions de même composition, à la même température, après une centrifugation
avec une certaine accélération g, pendant e minutes, on peut établir la correspondance
entre m et 0. Il est ainsi possible, conformément à l'invention, d'anticiper rapidement
le comportement qu'aurait une suspension après des mois ou années de repos.
[0025] Dans ce qui suit on décrit de manière non limitative un appareil pour la réalisation
de l'invention, des exemples d'application de celle-ci, ainsi que la nouvelle méthode
pour la détermination de la stabilité des suspensions.
Fig. 1 représente schématiquement,en coupe axiale, une forme préférée de l'appareil
suivant l'invention.
Fig. 2 est un graphique montrant les variations des indications du viscosimètre suivant
la profondeur de la suspension dans un tube de stockage, entre la surface et le fond,
pour quatre suspensions différentes.
Fig. 3 est un diagramme de sédimentation h/H = j(t) suivant l'invention.
Fig. 4 représente le diagramme d'une suspension après 3 mois de conservation, comparativement
avec une suspension similaire vieillie par centrifugation.
[0026] L'appareil selon Fig. 1 est en fait une pompe centrifuge immergée, à aspiration directe.
Le moteur 1 fait tourner le rotor 2 qui tourne dans le stator 3, dont il est séparé
par un étroit entrefer 4. Le mélange à traiter pénètre dans l'appareil par un canal
d'aspiration 5 situé de préférence dans l'axe du stator 3. Ce canal est également
traversé par une tige 5 qui porte une pale 7 pour l'agitation primaire du mélange
avant l'aspiration 5. La pale 7 étant solidaire du rotor 2, par l'intermédiaire de
la tige 6, elle tourne en même temps que le rotor mû par le moteur 1.
[0027] C'est dans l'entrefer 4 que la suspension traitée subit le cisaillement voulu,avant
de quitter l'appareil par la tubulure de refoulement 8.
[0028] La figure 1 représente seulement le mélangeur pour la formation d'une suspension,
mais il est bien entendu que celui-ci est plongé dans un récipient dans lequel on
introduit le ou les liquides voulus avec la poudre à disperser.
[0029] Dans une des formes d'exécution préférées, la paroi inférieure du stator 3, et celle
du rotor 2, sont coniques, ce qui fait que l'aspiration 5 aboutit au sommet du cône
ainsi formé.
[0030] Voici à titre d'exemple non limitatif les caractéristiques d'un appareil en acier
inoxydable, suivant l'invention, permettant de produire quelques kilogs de suspension,
notamment 1 à 5 kg,par heure.

[0031] Au moyen de cet appareil on a préparé différentes suspensions, dont certaines sont
illustrées par les exemples ci-après.
EXEMPLE 1
[0032] Dans une cuve de 4000 ml de capacité on introduit 1170 g de fuel lourd n°2 (ex RSV)
de densité 0,994 à 20°C et d'une viscosité de 433 cSt à 50°C ; 600 g d'eau sont ajoutés,
on plonge la partie rotor-stator de l'appareil décrit dans la cuve, et l'on fait fonctionner
le mélangeur à 2815 t/mn durant 30 minutes, ce qui produit une émulsion fine du fuel
avec l'eau.
[0033] On ajoute alors progressivement, à cette émulsion, en 60 minutes, 1245 g de poudre
de charbon dont la teneur en cendres est de 6,1% et la granulométrie 20% < 12,8 µm
50% < 28,6 µm
80% < 51,6 µm
97,5% < 96 µm,
tout en continuant à faire fonctionner le mélangeur. L'addition de poudre terminée,
on fait encore tourner le rotor pendant 15 minutes pour parachever l'homogénéisation
de la suspension formée.
[0034] La température de celle-ci est alors de 90°C.
[0035] Afin de tenir compte de l'évaporation de l'eau pendant le traitement, on détermine
la composition des 3000 g de suspension obtenue après refroidissement, ce qui donne
en poids :
[0036]

[0037] La perte d'eau pendant l'opération n'a donc été que de 15g; alors que l'élévation
de la température a abaissé la viscosité du produit en permettant l'écoulement facile
de celui-ci après la préparation.
[0038] La puissance maximale consommée a été de 140 W par kg ; la viscosité de la suspension
à 60°C ressortait à 10000cP.
[0039] La vitesse à la périphérie du rotor atteignait environ 10 m/s et le cisaillement
environ 25000 s
-1.
EXEMPLE 2
[0040] Le mode opératoire de l'exemple 1 est appliqué à des quantités différentes des mêmes
composants, ce qui conduit à l'obtention d'une suspension de la composition pondérale
:

qui se conserve bien pendant 3 mois, tandis qu'une suspension similaire, préparée
avec un agitateur classique, produisant un cisaillement de 800 s
-1, subit une sédimentation presque complète dans le même temps.
EXEMPLE 3
[0041] Les opérations de l'exemple 1 sont répétées avec la seule différence que le mélange
à traiter est additionné de 0,2% de l'agent de dispersion connu sous la dénomination
ATLAS EL 1601 H.
[0042] La stabilité de la suspension était améliorée au bout d'un mois ; elle ne différait
plus de celle de l'exemple 1 après 3 mois de stockage.
EXEMPLE 4
[0043] Le même agent de dispersion qu'à l'exemple 3 est utilisé, à raison de 0,2%, dans
une préparation selon l'exemple 2. On constate également une bonne amélioration de
la stabilité dans le temps. Par contre, l'adjonction de 0,2% de dispersant, dans le
cas de la suspension obtenue avec un cisaillement de 800 s
-1, ne permet pas d'avoir une stabilité de plus d'un mois.
EXEMPLE 5
[0044] On répète les opérations de l'exemple 2, en faisant varier les durées des trois étapes
du procédé entre les limites suivantes :
15 à 45 mn pour l'émulsification de l'eau avec le fuel lourd ;
20 à 70 mn en ce qui concerne l'incorporation du charbon ;
15 à 120 mn pour l'homogénéisation finale.
[0045] Il en est résulté que ces limites sont acceptables bien que les conditions optimales
soient d'environ 30 mn pour l'émulsification, 60 mn pour l'addition du charbon et
15 mn d'homogénéisation finale.
DETERMINATION DE LA STABILITE DE SUSPENSIONS DANS LE TEMPS, PAR LE PROCEDE DE L'INVENTION
[0046] Cette détermination est effectuée par la mesure de la viscosité relative à différents
niveaux, au sein d'une suspension stockée, après différentes durées. La suspension
étant au repos dans un tube de 64 mm de diamètre intérieur et 126 mm de haut, on procède
à des mesures de viscosité, au moyen d'un viscosimètre Brookfield muni d'une aiguille
en T, et d'un pied Helipath permettant le déplacement vertical de l'aiguille ; celle-ci
suit donc un trajet hélicoïdal dans la suspension. La viscosité étant très sensible
à la concentration en charbon de la suspension, une augmentation de cette concentration
se traduit par un accroissement de la viscosité que l'appareil détecte.
[0047] Le viscosimètre Brookfield utilisé est du type LVTD, à affichage digital, fournissant
des indications L de 0 à 100. Huit vitesses, de 0,3 à 60 tours/mn, sont disponibles.
L'aiguille est le modèle standard T.F., dont la barre transversale mesure 10,92 mm,
la hauteur étant de 114,3 mm et le diamètre de 1,6 mm. Un enregistreur est couplé
au viscosimètre, permettant le tracé direct du profil de viscosité.
[0048] Pour effectuer ce tracé on fait descendre l'aiguille, en continu, jusqu'au fond de
la suspension, pour la faire remonter ensuite à la surface de celle-ci.
[0049] Au cours des déterminations comparatives, relatées dans la présente description,
toutes les mesures étaient effectuées dans les mêmes conditions, à savoir : vitesse
de rotation 6 tours/mn, température 60°C, hauteur H de la suspension dans les tubes
de stockage 60 à 80 mm.
[0050] La figure 2 montre les profils de quatre suspensions différentes A,B,C et D, tracés
avec l'appareil décrit ci- dessus. L'échelle verticale, graduée de 0 à 100, indique
les lectures L de la viscosité relative détectée par le
Brookfield aux différentes positions de l'aiguille, au sein de la suspension ; ces
positions s'étagent entre le point S - surface de la suspension - et F, fond du tube.
A droite de l'ordonnée L on a les enregistrements pendant la descente de l'aiguille
du viscosimètre, tandis qu'à gauche se trouvent les profils obtenus au cours de la
remontée de l'aiguilla.
A - correspond à la suspension fraîche à 60°C, obtenue selon l'exemple 3 (41,5% charbon,
39% fuel, 19,5% eau+ 0,2% agent de dispersion);la branche horizontale est sensiblement
parallèle à l'axe F-S,avec à peine un léger enflement près du fond F;cela signifie
que la viscosité n'a pratiquement pas varié, peu après la préparation,entre le fond
et la surface.
B - est le profil de la même suspension qu'en A, mais après un mois de stockage à
60°C.On constate ici une certaine augmentation de la viscosité, en particulier près
du fond F, par rapport au profil A; cet accroissement, d'ailleurs peu marqué, s'accompagne
d'une chute de la viscosité au voisinage de la surface, figurée sur l'enregistrement
par un léger décalage de la branche montante de B,en deçà du point S.
C - illustre l'enregistrement du profil d'une suspension fraîche de la même composition
que la suspension A, mais préparée par le procédé classique avec un cisaillement de
500 s-1. La branche horizontale est parfaitement parallèle à l'axe F-S, ce qui prouve qu'au
départ il n'y a eu aucune sédimentation.
D - est le profil de viscosité de la même suspension qu'en C, mais après la conservation
de 6 semaines à 60°C. Le changement est profond : la viscosité au fond a augmenté
considérablement (lecture L bien au-dessus de 100) tandis qu'elle a chuté à 0 sur
environ 1/3 de la hauteur de suspension au-dessous
[0051] En comparant l'évolution de A à B avec celle de C à D, on constate que le procédé
de l'invention ( A → B) a apporté une remarquable amélioration de la stabilité.
[0052] Sur la figure 3 on a tracé les courbes de sédimentation h/H = g(t) qui constituent
une des caractéristiques de l'invention. Elles sont construites à partir de profils
comme par exemple ceux de la figure 2. La courbe supérieure,des h
o/H, correspond aux niveaux (h
o) où la lecture L du viscosimètre est pratiquement 0. Par conséquent H-h
o représente la hauteur du liquide surnageant pour chaque temps t.
[0053] La courbe inférieure des h
100/H correspond aux niveaux (h
100) au-dessus du fond, où la lecture L du viscosimètre est supérieure ou égale à 100.
Ainsi, la courbe inférieure définit la hauteur h
100 du sédiment formé par la décantation du liquide surnageant (h
o).
[0054] Au moyen des enregistrements des profils à différents temps on peut donc, suivant
l'invention, obtenir des graphiques comme celui de la figure 3, qui renseignent parfaitement
sur la stabilité d'une suspension.
[0055] La raison pour laquelle le paramètre h
100, défini plus haut, a été choisi, est que pour des suspensions relativement épaisses,
et en particulier celles qui font l'objet des exemples vus plus haut, la viscosité
apparente, correspondant à la valeur 100 de L, est assez forte et caractérise un sédiment
épais. Notamment, dans le cas des suspensions des exemples 1 à 5, on a trouvé qu'à
60°C avec l'aiguille T.F. du viscosimètre, à 6 tours/mn, la viscosité apparente était
d'environ 90 Pl pour un gradient de vitesse apparent de 0,05 s
-1, ce qui dénote un sédiment
[0056] Figure 4 se rapporte à la forme particulière d'exécution de l'invention, dans laquelle
un vieillissement accéléré de suspensions est réalisé par une centrifugation de celle-ci
avant la détermination des courbes de sédimentation. Ainsi a-t-on trouvé, dans certains
cas, qu'un mois de stockage à 60°C pouvait être simulé par une centrifugation de 30
minutes à la même température, avec une accélération centrifuge de 100 g en fond de
tube.
[0057] La suspension est stockée dans des tubes pouvant aller tant sur la centrifugeuse
que sur le viscosimètre. Fig. 4 montre deux paires de courbes de sédimentation I-I
et II-II, dont les premières correspondent au vieillissement naturel et les secondes,
II-II, au vieillissement accéléré par centrifugation avant la détermination de la
stabilité. Les abscisses en jours se rapportent aux courbes I-I et les abscisses en
minutes aux courbes II-II de sédimentation accélérée. On peut voir, dans le cas de
cet exemple, que le stockage de trois mois à 60°C selon I produit sensiblement le
même degré de sédimentation qu'une centrifugation d'environ 60 mn à 100 g d'accélération
en fond de tube.
1. Procédé de production d'une suspension de poudre dans un ou plusieurs liquides
par agitation de la poudre avec ces liquides, dans lequel, les dimensions des grains
de la poudre ne dépassent pas 100 microns, l'agitation est effectuée avec un cisaillement
d'au moins 8000 s-1, et le procédé comporte la détermination de la stabilité de la suspension par la
mesure de la viscosité de celle-ci, caractérisé en ce qu'il comprend l'établissement
du profil de la viscosité relative (L) au sein de la suspension, tout-au-long de la
hauteur de celle-ci (S-F), qu'à partir de ce profil on construit un graphique comportant
deux courbes de sédimentation de la forme h/H = f(t), h étant la hauteur du niveau,
dans la suspension, correspondant à une certaine indication (L) du viscosimètre, H
la hauteur totale de la suspension et t le temps, une des courbes étant ho/H = J(t) où ho désigne la hauteur du niveau correspondant à une réponse du viscosimètre L = 0, tandis que la seconde courbe est h100/H = f(t), h100 étant la hauteur du niveau où L est au moins 100.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des mesures de viscosité
relative sont effectuées sur des suspensions ayant subi un vieillissement accéléré
par centrifugation.
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les déterminations ont
lieu dans des tubes prévus pour aller à la fois sur une centrifugeuse et sur un viscosimètre.
4. Procédé suivant une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cisaillement,
produit au sein du mélange, étant de 8000 à 60000 s et, plus particulièrement, de
14000 à 40000 s-1, la température du mélange, au cours de l'agitation, est maintenue entre 20° et 100°C
et de préférence entre 60° et 95°C.
5. Procédé suivant une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la poudre utilisée
se compose de 80% de grains de grosseur inférieure à 60 µm, 50% mesurant moins que
30 µm, et le mélange traité contient 20 à 50% en poids de poudre.
6. Application du procédé suivant une des revendications 1 à 5 à des suspensions de
poudre de charbon dans des hydrocarbures et de l'eau, caractérisé en ce que les proportions
pondérales des matières mélangées sont : 40 à 50% de charbon, 10 à 20% d'eau, le reste
étant un combustible liquide, et plus particulièrement 41 à 47% de charbon, 14 à 20%
d'eau, le reste étant une fraction du pétrole, le mélange pouvant être additionné
d'une faible quantité, d'un agent de dispersion.
7. Appareil pour la réalisation du procédé suivant une des revendications 1 à 6, constitué
par un mélangeur du type à pompe centrifuge à aspiration directe, comprenant un rotor
(2) tournant dans un stator (3), la largeur de l'entrefer (4), entre le stator et
le rotor étant telle, que cet entrefer produise dans le mélange liquide, qui le traverse,
un cisaillement de 8000 à 60000 s-1, caractérisé en ce que pour une vitesse périphérique du rotor de l'ordre de 10 m/s,
l'entrefer (4) a une largeur de 0,5 à 2,5 mm et de préférence de 0,8 à 1,8 mm.
8. Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'une pale 7, située au-dessous
et près de l'aspiration (5), est solidaire du rotor (2) par l'intermédiaire d'une
tige (6) passant par le canal d'aspiration (5).