La présente invention concerne une unité modulaire ce •5 réacteur ultrasonique tubulaire ainsi que les diverses associations ces c. tes unités en vue de former des multiréacteurs adaptés à chaque rv oe d'application particulière.

Dans l'état actuel de la technique on connaît divers dispositifs ultrasoniques destinés à réaliser le traitement des liquides. Il s agit 0 principalement de dispositifs issus de la technologie du nettoyage par ultrasons et généralement agencés sous forme de cuves métalliques ce faible épaisseur au fond desquelles sont fixés une pluralité d'émetteurs.

La mise en v ibration du fond de la cuve induit dans le liquide contenu le phénomène de cavitation dont l'intensité décroît à mesure qu'on -5 s'éioigne de la source, en l'occurence le fond de la cuve.

On connaît également une technique dite à double diapnrag- mes en opposition, qui, tout comme la technique de nettoyage prec; :ee, consiste à disposer un certain nombre d'émetteurs sur deux plaques ce tόie mises en regard à une distance comprise entre 1,5 et -v mm, appelée 0 distance de couplage. On fait ensuite passer le liquide à traiter entre .es deux plaques émissives.

Une autre configuration utilise une pluralité d'émetteurs : . \es à la périphérie d'un tube métallique. Cette configuration permet certes ce traiter en passage mais présente les inconvénients de nécessiter un grand 5 nombre d'émetteurs, de ne pas offrir la possibilité de dépasser le niv eau d'amplitude couramment obtenu en technique de nettoyage et impose te remplacement complet du système en cas d'usure du tube de traitemer.: en contact avec le produit traité.

Toutes les techniques connues se ramènent en fait a ces techniques de nettoyage par ultrasons où les émetteurs sont dιrec:e^e ⁿ t fixés à des diaphragmes métalliques, tubes ou fonds de cuve.

On connaît enf in les sondes expérimentales de laoora to.re dites sondes ultrasoniques Dien connues par exemple sous le nom ce

Sonifier (BRANSON) ou Vibracell (SONIC'S et MATERIALS). Ce type d'appareiis permet de traiter de faibles volumes ou de faibles débits.

La présente invention à pour but de proposer un réacteur ultrasonique tubulaire basé sur le principe de la résonnance mécanique pour

-* propager de façon cohérente à partir d'un nombre d'émetteurs réduit des vibrations ultrasoniques destinées au traitement des fluides traversant ledit réacteur.

Conformément à la présente invention, cet objectif a pu être atteint par la mise au point d'une unité modulaire de réacteur caractérisée en ce qu'elle comprend un corps métallique tubulaire de surface intérieure cylindrique et de section droite circulaire, ouvert à ses deux extrémités d'alimentation et d'évacuation, en ce que ia surface extérieure dudit corps métallique tubulaire présente, au voisinage de la zone nodaie, une couronne coaxiale audit tube et faisant saillie radialement, et en ce qu'au moins un convertisseur uitra-sonique est agencé radialement et de façon solidaire de ladite couronne à la périphérie de cette dernière, la fréquence dudit convertisseur étant égale à ia fréquence de vibration de ladite couronne et à la fréquence de vibration longitudinale dudit corps métallique tubulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'objet de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée faite ci-après notamment en référence aux dessins annexés illustrant un certain nombre de modes de réalisation particuliers, dessins sur lesquels :

- la figure IA représente une vue de côté d'une unité modulaire de réacteur selon l'invention, _ la figure 1B réprésente une vue de face de l'unité modulaire de réacteur de la figure IA,

- la figure 2 représente un multi-réacteur en ligne comportant plusieurs unités modulaires de réacteur selon l'invention associé à un convertisseur unique, - la figure 3 représente un multi-réacteur en ligne comportant une pluralité d'unités modulaires de réacteur associées à trois convertisseurs distincts,

FEUILLE DE REMPLACEMENT

- la figure représente un multi-réacteur en ligne comprenant une seule unité modulaire dissymétrique au niveau de la prolongation de la partie tubulaire dudit réacteur,

- ia figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un multi-réacteur en ligne associant diverses unités modulaires à plusieurs convertisseurs, et

- la figure 6 représente une unité modulaire dont la couronne est rapportée sur le corps métallique tubulaire, par exemple par emmanchement à force,

- la figure 7 représente une unité modulaire utilisant un élément tubulaire intérieur couplé à ladite unité au voisinage des ventres d'amplitude longitudinale (noeud de contrainte).

Tel que représenté sur les figures IA et 1 B illustrant respectivement une vue de côté et une vue de face de l'unité modulaire de réacteur 10 selon l'invention, on constate que ladite unité est pπncipa- lemement constituée de trois éléments caractéristiques essentiels. L'unité ι o comprend tout d'abord un corps métallique tubulaire 12 présentant une surface intérieure 1 cylindrique et de section droite circulaire. Le corps métallique tubulaire 12 est ouvert à ses deux extrémités, c'est-à-dire respectivement à son extrémité d'alimentation 16 et à son extrémité d'évacuation 18. Le flux des matières et/ou des réactifs à traiter s'écoule donc dans le sens de la flèche allant de l'extrémité 16 vers l'extrémité 18. Ces deux extrémités d'alimentation et d'évacuation 16, 18 seront associées à des conduits d'alimentation et d'évacuation eux-mêmes éventuellement munis de pompes de circulation. Le reste de l'installation n'est pas représenté étant donné qu'il fait appel à des organes tout à fait classiques bien connus de l'homme du métier.

L'unité modulaire 10 comprend également sur la surface extérieure du corps métallique tubulaire 12, au voisinage de la zone nodale de cette dernière, une couronne 20 coaxiale audit tube, ladite couronne faisant radialement saillie vers l'extérieur de la surface libre du corps tubulaire 12.

Enfin, l'unité modulaire 10 comprend au moins un convertis¬ seur ultra-sonique 22 qui est agencé radialement et de façon solidaire de

FEUILLE DE REMPLACEMENT

ladite couronne 20 à la périphérie de cette dernière. Conformément à .a présente invention la fréquence dudit convertisseur 22 est égaie a .a fréquence de vibration de ladite couronne 20 et à la fréquence de v ibration longitudinale du corps métallique tubulaire 12. Dans la pratique on utilise comme convertisseur ultra-sonique

22 un convertisseur classique, par exemple du type à excitation piézo¬ électrique. Il peut par exemple être du type "Triplet de Langevin" tel que cela se trouve décrit dans l'ouvrage High Intensity Ultrasonics de S. BRO N et J.E. GOODMAN. Sur le mode de réalisation particulier décrit et représenté aux figures I et I B, la couronne coaxiale 20 est usinée dans la masse du corps métallique tubulaire 12. Dans ce type de réalisation, la couronne 20 se raccorde à ia surface extérieure du corps tubulaire 12 par l'intermédiaire de congés de raccordement 24. On observera que le corps métallique tubulaire 12 présente, sur le mode de réalisation décrit, une longueur égaie à une oemi-longueur d'onde pour ia fréquence que l'on désire utiliser. II est à noter à ce propos que la fréquence de ia vibration ultra-sonique délivrée par l'émetteur ou le convertisseur 22 sera généralement comprise entre 5 et 100 kHz. Dans ce mode de réalisation particulier ia longueur du corps métallique tubulaire est rigoureusement égale à une demi longueur d'onde de la fréquence de la vibration ultra-sonique. Il est cependant parfaitement possible, dans le cadre de la présente invention, d'avoir recours à jne partie métallique tubulaire de plus grande dimension, se prolongeant sar exemple d'un ou des deux côtés de la couronne coaxiale 20 par une longueur égale à un multiple entier de demi longueur d'onde ce .a fréquence délivrée, la liaison de cette partie métallique avec l'unité modulaire pouvant par exemple être réalisée au niveau des ventres d'amplitude longitudinaux (noeuds de contraintes) au moyen de filetages. emmanchements à force, soudures ou analogue ou bien encore être usinée dans la masse.

On rappellera à ce propos que les diamètres intérieur e: extérieur de la couronne 20, le diamètre intérieur de la couronne 21

FEUILLE DE REMPLACEMENT

correspondant par ai lleurs au diamètre intérieur du corps métallique tubulaire 12. déterminent la fréquence radiale ce cette couronne coaxiaie 21. En revanche la longueur du corps métallique tubulaire 1 2 que l'on choisit en multiple de demi longueur d'onde détermine la fréquence longitudinale de l'ensemble du réacteur.

Dans le mode de réalisation particulier αécπt aux figures I Λ et 13 on util ise un seul convertisseur ou émetteur 22 qui peut être indifféremment du type electrostrictif, magnétostrictif, éiectrocapacitif. ou encore plus habituel lement piézo-électrique • Le convertisseur 22 est f i xe 0 à la péri phérie de la couronne 20 de préférence au niveau d'un méplat 26 agencé de manière à assurer une parfaite mise en contact de l'émetteur 22 avec la couronne 20. La liaison mécanique entre ces deux organes est notamment assurée de façon avantageuse par l'intermédiaire d'un goujon ou organe analogue 28. 5 En ce qui concerne la fréquence de la vibration ultra-sonique délivrée par le convertisseur 22 de l'unité modulaire de réacteur 1 0 selon l'invention il y a lieu de préciser que les diamètres intérieurs et extérieurs respectivement dj_ et d _e de la couronne 20 peuvent être déterm inés ce façon classique par l'homme du métier en relation avec ladite fréquence αe " v ibration délivrée par l'émetteur. Dans le cas d'une couronne 20 présentant par e xemple une épaisseur de l'ordre de 1 5 mm, les diamètres intér ieurs et extérieurs de cette dernière sont déterm inés en fonction de la f réquence de v ibration F conformément à la relation :

⁵ _ C. 1 ,08

^{* d} Q ^• K

où C re présente la vitesse du son, en cm par seconde, associée au metai dans lequel est réalisée ladite couronne 20.

On peut citer par exemple une couronne réalisée en al l iage

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d'aluminium excitée à partir d'un émetteur piézoélectrique 20 KHZ ce diamètre . mm. Dans ce cas de figure la couronne aura une épaisseur ce 30 mm, un diamètre extérieur de 130 mm pour un diamètre intérieur de -2 mm pour respecter la fréquence de 20 kHz délivrée par l'émetteur. Une telle unité de réacteur fonctionne de la manière suivante.

La vibration produite par le ou par les convertisseur(s) 22 provoque _a mise en vibration radiale de la couronne 20, qui, en même temps, provoque ia mise en vibration longitudinale de la partie tubulaire en multiple de demi longueur d'onde du corps métallique tubulaire 12. La phase de compression ce la couronne 20 correspond à la phase de dilatation longitudinale du corps tubulaire 12, et la dilatation de la couronne 20 correspond à la phase de compression longitudinale du corps tubulaire 12. Pour obtenir un tel résultat on rappellera que la couronne coaxiale 20 doit être située au voisinage du plan nodal du corps tubulaire 12. Ainsi, le réacteur selon l'invention utilise la vibration radiale du diamètre intérieur de la couronne 20 pour mettre en cavitation un liquide quelconque à traiter, qui se trouve débité en continu au travers du diamètre intérieur du corps tubulaire métallique 12.

Ainsi, tout liquide, tout gaz, tout colloïde ou encore toute autre matière à traiter doivent être par des moyens classiques non représentés débités au travers du diamètre intérieur 14 du corps métallique tubulaire 12 du réacteur 10.

La figure 2 représente un réacteur ultra-sonique c i est obtenu par coupage en série d'une pluralité d'unités modulaires de réacteur 10 tel que représenté aux figures IA et 1 B. Dans le mode de réalisation de la figure 2, on a regroupé trois unités modulaires 10 de manière à former un multi-réacteur en ligne, mais en n'utilisant qu'un seul convertisseur ultra-sonique 22. Ainsi un tel ensemble peut être réalisé monobloc ou oar liaisons rigides desdites unités modulaires au niveau des ventres d'amon- tude longitudinaux.

Il est également possible, tel que cela se trouve illustre à la figure 3 de réaliser un multi-réacteur en ligne par association de plusieurs

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unités modulaires de réacteur 10 couplées à une pluralité de convertisseurs 22. Dans le mode de réalisation particulier décrit, on utilise trois unîtes modulaires complètes équipées chacune de leur convertisseur 22. ces unîtes complètes étant disposées aux deux extrémités et au centre du réacteur tubulaire. On observera qu'entre chacune de ces unités modulaires 10 complètes en demi longueur d'onde, on a interposé un ensemble constitué par un corps métallique tubulaire 12 également en demi longueur d'onde se prolongeant à sa périphérie par une couronne coaxiale 22. Ceci revient également à une association d'unités modulaires de réacteur précédemment - ^ décrites dont certaines sont en demi longueur d'onde et d'autres en longueur d'onde entière.

Le fonctionnement de ce type de réacteur en ligne est identique au fonctionnement des unités modulaires précédemment décrites. Dans la même phase du mouvement vibratoire, on observera donc pour les

1 différents éléments associés des états simultanés, de proche en proche, en compression et en dilatation.

Lorsque le réacteur ultra-sonique en ligne comprend plusieurs émetteurs ou convertisseurs ultra-soniques 22, ces derniers peuvent être avantageusement alimentés en parallèle par un même générateur. II 0 convient cependant de prendre la précaution d'inverser ia polarité des émetteurs de rang pair par rapport aux émetteurs de rang impair, ceci dans le but de respecter les inversions de phases qui se produisent à chaque demi longueur d'onde.

Le mode de réalisation particulier représenté à la figure 4 5 comprend une couronne radiale 20 qui va exciter en série une longueur de corps métallique tubulaire prolongeant la partie tubulaire de l'élément modulaire central de part et d'autre de ce dernier. On observera que la longueur des tubes de chacun des deux côtés de l'unité modulaire centrale est également réalisée en un multiple entier de demi longueur d'onde. Les 0 dits tubes peuvent par exemple être vissés ou emmanchés à force à l'unité modulaire au niveau des ventres d'amplitude longitudinaux. Il n'est pas

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nécessaire d'avoir recours à une disposition symétrique. Tel que cela se trouve illustré à la figure 4, il peut être avantageux en fonction des applications particulières envisagées de prévoir une zone tubulaire plus ou moins longue en amont ou en aval de ia zone de vibration ultra-sonique intense. Dans ia pratique, on aura recours à un multiple de demi longueur d'onde généralement compris entre 1 et 10, muitiple choisi en fonction du matériau dans lequel on réalise le réacteur, en fonction des produits à traiter et bien sûr, de la nature et des conditions de la réaction mise en jeu au sein du réacteur. Il peut par exemple être avantageux, comme cela se trouve illustré sur la figure 4, de prévoir une entrée d'alimentation relativement proche de la zone intense de cavitation, ce qui permet de communiquer rapidement l'énergie nécessaire à l'initiation de la réaction qui peut se prolonger dans ia partie tubulaire avale du réacteur, i.e. dans une zone soumise à une cavitation ultra-sonique de moins grande puissance et de moins grande amplitude.

L'homme du métier choisira, en fonction de l'application particulière, la longueur adaptée dudit corps métallique tubulaire 12 en respectant toutefois une longueur égale à un multiple entier de demi longueurs d'onde de la fréquence de la vibration ultra-sonique délivrée par ι _{e ou} ι _es convertisseurs 22.

La figure 5 illustre un dernier mode de réalisation dans lequel on a recours à plusieurs couronnes radiales 20 qui vont exciter en série une longueur de tube qui, en l'espèce est en demi longueur d'onde, mais qui bien entendu peut également être constitué par de plus grandes longueurs de tubes réalisées en multiple entier de demi longueurs d'onde. Le principe de fonctionnement reste rigoureusement identique.

La figure 6 représente une variante d'une unité modulaire de réacteur selon l'invention. Conformément à cette variante, au lieu d'être usinée dans la masse, la couronne coaxiale 20 et le corps tubulaire métallique 12 sont réalisés séparément. Ceci permet de choisir un matériau d'excellente propriété accoustique tel qu'un alliage d'aluminium et/ou de

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titane, pour la fabrication de la couronne 20, et d'avoir recours à un autre matériau présentant une plus grande résistance à l'érosion oe cavitation ultra-sonique pour la fabrication de ia partie tubulaire métallique 12 à l'intérieur de laquelle circule le liquide à traiter. On pourra ainsi réaliser la partie tubulaire 12 en un acier spécial tel qu'un acier inoxydable. En outre, la surface intérieure 14 du réacteur tubulaire sera avantageusement munie d'une couche de protection contre l'érosion par cavitation, par exemple d'une couche céramique, métallique dure ou encore céramométallique. Dans ce mode de réalisation de la figure 6, la couronne est rendue solidaire de la partie tubulaire par un moyen mécanique approprié assurant une liaison solide et homogène. Une telle liaison rigide absolument indispensable pour réaliser l'unité modulaire de réacteur selon l'invention, peut par exemple être obtenue par des moyens mécaniques tels qu'un vissage, un biocage, ou encore un emmanchement à force. On peut également avoir recours à d'autres moyens non mécaniques, tels que des collages, soudages ou analogues.

- La figure 7 représente une autre variante d'une unité modulaire de réacteur selon l'invention.

Conformément à cette variante, l'unité modulaire de réacteur est agencée de manière à recevoir à l'intérieur un élément tubulaire 30 accordé à la fréquence de l'émetteur 22, vibrant à partir du mode axial par serrage de ses deux extrémités 32,34 au voisinage des ventres d'amplitude (noeuds de contraintes) longitudinale de ladite unité.

Dans ce mode de réalisation, ledit élément tubulaire 30 est serré entre deux pièces elles-mêmes accordées à la fréquence de l'émetteur et pouvant être, par exemple, des corps métalliques tubulaires 36 et 38 tels que décrits sur la figure 4.

L'élément tubulaire rapporté 30, sera avantageusement agencé avec des portées soignées (i.e. 45°) pour assurer un parfait centrage et un bon couplage avec les éléments 36 et 38 le serrant à chacune de ses extrémités 32 et 34. On notera, tel que décrit sur la figure 7, un jeu --0

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avec le diamètre intérieur de l'unité modulaire permettant les libres exDansion et compression radiales ce l'élément tubulaire 30 à l'intérieur duquel circule le fluide à traiter.

Ainsi, les unités modulaires de réacteur selon l'invention, peuvent être utilisées pour ie traitement de tous types de liquide, gaz, colloïde, etc. débitant de façon naturelle ou forcée à travers le diamètre intérieur des réacteurs. Il convient également de noter qu'un flux de liquide extérieur pourrait être simultanément traité par la cavitation provoqué par la vibration extérieure des couronnes 20, c'est-à-dire que l'on pourrait traiter simultanément deux flux de liquides différents, l'un passant à l'intérieur du réacteur, l'autre s'écoulant à la périphérie extérieure.

Les applications industrielles de ce type de réacteurs sont nombreuses : on citera par exemple à titre d'illustration les applications suivantes : - activations de réactions chimiques (Grignard, Barbier, etc.)

- désagglomération et lavage de poudres métalliques, céramiques ou minérales

- traitement de minerais

- mouillage et dispersions de pigments, colorants - dissolution accélérée de gaz

- dégazage

- homogénéisation de produits

- nettoyage de fils

- émulsification, etc.

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