Brevet FR2116468A1 — publié le 19720713

La présente invention concerne un dispositif pour enrichir des liquides en gaz. Ce dispositif comporte un tuyau plongé dans un récipient et dans lequel le liquide est remonté à l'aide d'un dispositif de transport, une surface déviatrice étant prévue au-dessus du tuyau de remontée, pour ramener vers le bas la veine de liquide. Sur les dispositifs connus, de ce type, il est prévu un tuyau de remontée plongé dans un récipient, et dont I'extrémité supérieure comporte un dispositif de transport à rotor centrifuge entrainé par un moteur électrique. A la suite du rotor centrifuge, on a prévu une surface déviatrice qui transfère le liquide dans un canal annulaire entourant le tuyau de remontée. Ce canal annulaire comporte des conduites d'amenée de gaz, ouvertes vers le bas, et que traverse le liquide, des vacuoles se formant sur les faces inférieures ouvertes de ces conduites, et le gaz pénètre à cet endroit dans le liquide. Puis le liquide ayant réagi avec le gaz, revient dans la masse de liquide du récipient.Comme on le remarque directement dans ce dispositif connu, la circulation du liquidé contenu dans le récipient et ltenrichissement en gaz de ce liquide sont directement liés, ce qui est dans beaucoup de cas un inconvénient. Ainsi, très fréquemment, on veut par cet enrichichissement amener une certaine quantité de gaz dans le liquide ou maintenir une teneur en gaz déterminée dans le liquide. En outre, il est souvent nécessaire de mettre le liquide en mouvement dans le récipient pour éviter un dépôt de particules contenues dans le liquide. Si dans le dispositif connu, indiqué cidessus, on fait fonctionner le dispositif d'entraînement, on a en même temps une introduction constante de gaz dans le liquide, si bien que la teneur en gaz ne reste pas constante. En outre, il se produit une consommation inutilement élevée en énergie lorsqu'une simple mise en mouvement du liquide suffit. Cette consommation en énergie est due aux conditions d'écoulement prévues pour assurer l'enrichissement en gaz. On connaît également d'autres dispositifs pour enrichir des liquides en gaz. C'est ainsi qu'il en existe utilisant des mécanismes de pompage ou des pompes suivis de chutes ou de cascades. On utilise également des pompes à haute pression qui pulverisent le liquide ou le projettent contre des surfaces brise-jet. On connaît également des vis hélicoldales, tournant rapidement et qui soulèvent le liquide au-dessus du niveau du récipient et créent un film mince de liquide ou un mélange de filets de liquide et de gouttes. L'association du transport du mouvement du liquide et de l'enrichissement en gaz par l'augmentation de la surface de contact avec le liquide présente les inconvénients cités ci-dessus.Suivant le mode de réalisation du dispositif, une fraction de l'énergie sert au transport du liquide et l'autre fraction de l'énergie sert à augmenter la surface limite du liquide. Cette répartition de l'énergie consommée est déterminée. Ainsi, ces dispositifs ne permettent pas d'économiser de l'énergie, suivant les diverses caractéristiques des liquides. La présente invention a pour but de créer un dispositif simple du type indiqué ci-dessus, dans lequel es diverses phases du procédé, et notamment le déplacement du liquide et l'augmentation de la surface limite de celui-ci, peuvent être très largement commandés de façon séparée. A cet effet, le dispositif selon l'invention se caractérise en ce que le dispositif de transport du liquide dans le récipient est prévu dans le tuyau de remontée en-dessous du niveau du liquide et la surface de déviation a la forme d'une coupelle brise-jet, et au niveau du liquide qui tombe de cette coupelle brise-jet le dispositif comporte des lamelles, entraînées, susceptibles d'osciller et de se déplacer dans une direction verticale. Grâce au mode de réalisation de l'invention, il est possible d'effectuer, d'une part, la mise en circulation de transport du liquide,et d'autre part,d'augmenter la surface limite du liquide, en commandant ces deux paramètres pratiquement indépendamment. L'augmentation de la surface limite est produite, pour une partie essentielle, par la transmission de énergie cinétique de lamelles oscillant suivant des fréquences basses ou moyennes, et communiquant cette énergie au liquide. Pour éviter un dépôt des particules du liquide au fond du récipient, il est avantageux de prévoir un fond de récipient, de préférence en forme de cône ,et d'avoir l'extrémité inférieure du tuyau de remontée dans la zone du point le plus bas du fond du récipient. Le dispositif de transport lui-même est avantageusement constitué par une hélice transportant axialement le liquide. Il est avantageux que cette hélice soit montée dans le tuyau de remontée, peu en-dessous du niveau du liquide. On a ainsi l'avantage qu'il est possible,par l'inversion du sens de rotation du dispositif de transport, d'éviter le dépôt ou la sédimentation des particules de liquide, ce qui n'est souvent pas possible par la simple mise en circulation du liquide. Comme entraînement pour une telle vis, il est avantageux de prévoir un moteur électrique réversible. Lorsque le dispositif de transport fait monter le liquide dans le tuyau de remontée, le liquide sOrt par le haut du tuyau de remontée, puis rencontre la coupelle brise-jet, bombée, et celle-ci le dévie vers le bas. Il est avantageux que la coupelle brise-jet soit une coupelle convexe en vue de dessus. Le liquide dévié vers le bas est déjà pulvérisé par la coupelle brise-jet; il arrive alors sur les lamelles qui sont entraînées dans une direction verticale et qui se mettent à osciller. Les lamelles transmettent alors de l'énergie au liquide. Les forces élevées engendrées par les alternances,qui sont au moins de l'ordre de 50 par seconde, agissent contre les forces d'adhésion et de cohésion du liquide et font tomber le liquide,sous forme divisée, des lamelles. On a ainsi une augmentation considérable de la surface de contact du liquide. Ce liquide prend dans l'environnement,qui est par exemple de l'air, un gaz comme l'oxygène. Puis le liquide revient de nouveau au contact du liquide du récipient, sous l'effet de la gravité. Comme cette pénétration du liquide se fait en un endroit différent de celui où se trouve le tuyau de remontée, on a une circulation du liquide dans le récipient. Lorsqu'on ne veut plus poursuivre l'enrichissement en gaz du liquide contenu dans le récipient, on peut commander une simple circulation du liquide. Comme il est possible d'arrêter l'entraînement des lamelles, la consommation en énergie reste faible. On peut également réduire la puissance nécessaire au transport. Pour une simple mise en circulation, il est également avantageux de constituer le tuyau de remontée à l'aide de deux parties qui se pénètrent télescopiquement, et d'abaisser la partie supérieure dans le liquide lorsqu'il s'agit de la simple mise en circulation, pour que sont bord supérieur se trouve en-dessous du niveau du liquide. Suivant les exigences, on peut alors choisir librement la direction de transport du liquide.C'est ainsi que, lorsque ce transport se fait dans le tuyau de remontée dé bas en haut, on mélange intimement le liquide qui descend dans le tuyau et le liquide qui se trouve au fond du récipient et on évite un dépôt au fond du récipient. Il est connu que des excitations physiologiques favorisent par exemple le renouvellement des bactéries. Si des bactéries se trouvent dans le liquide à enrichir en gaz, comme par exemple des bactéries aérobies destinées â réduire des produits organiques, ces bactéries arrivent avec le liquide sur les lamelles oscillantes, et les forces des oscillations ,qui sont composées de fréquences comprises entre 50 et 1 000 hz, sont transmises aux bactéries.Comme la vitesse de diffusion des mouvements cationiques et anioniques entre les peaux des cellules et le noyau des cellules des bactéries est infériéure à 10-Hz, il ne se produit pas de remplacement de matière dans les bactéries, mais des excitations accélérées dans les bactéries lors du passage au zéro du composant sinusoldal. Il se forme entre autres une chaleur de réaction qui accélère l'activité des bactéries. Par le mélange intime que subit le liquide lors du traitement dans le dispositif selon l'invention, on peut également faire floculer des suspensions. C'est ainsi qu'un mélange très intime entre, d'une part, la suspension et les produits qui se déposent et, d'autre part, l'agent floculant favorise une floculation. Lorsqu'on envoie l'agent floculant suffisamment dilué, au fond du tuyau de remontée, au centre du dispositif selon l'invention, déjà au cours du passage à travers le tuyau de remontée et dans le dispositif de transport ainsi que sur la coupelle brise-jet, on a un mélange intime. Puis les lamelles oscillantes intensifient le mélange de la suspension. On peut ainsi économiser dans certains cas des quantités considérables d'agent floculant. Après que la surface limite du liquide ait été notablement augmentée par les lamelles oscillantes, on peut.au lieu de ramener le liquide dans le récipient, le faire tomber dans une coupelle entourant le tuyau de remontée, sous les lamelles oscillantes,puis ltenvoyer vers un bassin de sédimentation ou de flottaison, pour séparer les produits et le liquide. En prenant l'oxygène moléculaire par cette augmentation de la surface de contact de la suspension, dans l'atmosphère ambiante, on peut introduire des quantités suffisantes d'oxygène dans le liquide pour pouvoir ajouter des agents floculants,par exemple de valence 2, tels que le sulfate de fer ou analogue, pour effectuer une certaine floculation de la suspension. Ces agents sont oxydés au cours de cette opération et prennent une valence 3,si bien que l'on amplifie considérablement l'effet floculant d'un agent floculant bon marché. Lorsque amont du dispositif de l'invention on utilise une installation d'eau sous pression et de flottaison, on a l'avantage que l'on peut enrichir jusqu'à la saturation en oxygène moléculaire,les suspensions,à l'aide du dispositif de l'invention, avant d'introduire dans l'installation de flottaison, ou au cours de l'addition d'un agent de précipitation de valence 2. L'oxygène gazeux du générateur d'eau sous pression sert alors uniquement pour la flottaison. On évite ainsi des incidents au cours de la flottaison, par des dissociations des suspensions pauvres en oxygène (les variations de direction irréversibles pouvant se présenter jusqu'à ce qu'on atteigne la limite de saturation). On obtient une flottaison sûre des particules contenues dans le liquide. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide de divers modes de réalisation représentés schématiquement à titre d'exemples Sans les dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe d'un dispositif selon l'invention plongé dans un récipient, - La figure 2 représente schématiquement le fonctionnement d'un dispositif dont les lamelles oscillantes reçoivent une énergie motrice. - La figure 3 représente schématiquement l'utilisation d'un dispositif de l'invention pour mettre en circulation le liquide contenu dans un récipient. - Les figures 4 à 6 représentent les lamelles du dispositif et les unités d'entraînement. - Les figures 7 et 8 sont des vues à échelle agrandie d'un mode de réalisation des lamelles oscillantes du dispositif selon l'invention et des courbes des oscillations qui se présentent sur de telles lamelles en fonction du temps. Le dispositif selon la figure 1, plongé dans un récipient 1, est destiné à enrichir en gaz le liquide'2 du récipient. A cet effet, dans le cas présent, on augmente la surface de contact du liquide et du gaz se trouvant au-dessus du niveau 3 du liquide, c'est-à-dire l'air ambiant. Ce dispositif comporte un tuyau de remontée 4 dans lequel on a prévu un dispositif de mise en mouvement constitué par une hélice à effet axial 5. Cette hélice est reliée à l'arbre 6 d'un moteur électrique 7 réversible. Ce moteur électrique 7 est fixé sur un bti 8 qui s'appuie par des ressorts sur un support 9. Le support 9 s'appuie à son tour par des amortisseurs 10 sur la fondation 11. Le tuyau de remontée 4 est constitué de deux parties 12 et 13 qui pénètrent l'une dans l'autre de façon télescopique. La partie inférieure 12 du tuyau 4, dont l'extrémité inférieure est élargie en entonnoir, arrive jusqu'à une faible distance en-dessous du niveau 3 du liquide, dans la zone où se trouve l'hélice 5.La partie supérieure 13 du tuyau 4 peut être soulevée et abaissée par des dispositifs de levage électromagnétiques 14 prévus sur le bâti 8. Cette -partie supérieure 13 peut être abaissée jusqu'en-dessous du niveau 3 du liquide. La partie supérieure 13 du tube 4 est reliée par une tringle 15 aux dispositifs de levage 14. Au-dessus du tuyau de remontée 4 se trouve une coupelle brise-jet 16, convexe en vue de dessus. Entre la coupelle brise-jet et le niveau 3 du liquide se trouve un élément tubulaire 17 muni de lamelles oscillantes 18, en éventail, radialement vers l'extérieur. Ces lamelles 18 sont fixées ou reliées rigidement à l'élément tubulaire 17 par leurs extrémités intérieures. L'élément tubulaire 17 est relié à son tour par des barres de liaison 19 à une plaque 21 montée oscillante sur le support 9 par l'intermédiaire de résonnateurs 20.Deux générateurs d'oscillations, à balourds,22 entraînés par des moteurs électriques et tournant en sens inverse se trouvent sur la plaque oscillante 21. Ces générateurs de vibrations permettent de mettre en oscillation la plaque 21 et ainsi l'élément tubulaire 17 et les lamelles 18 que porte ce dernier. Le mouvement vibratoire se fait suivant la direction verticale. Pour commander les moteurs des générateurs de vibrations 22, on a prévu un dispositif de commande électrique 23,qui est commandé à son tour par une sonde de mesure d'oxygène 24 plongée dans le récipient 1. Comme représenté schématiquement à la figure 2, l'hélice 5 fait monter le liquide dans le tuyau de remontée 4 la partie supérieure 13 du tuyau de remontée 4 est soulevée suffisamment pour que son arête supérieure dépasse d'une longueur relativement grande le niveau 3 du liquide, et on soumet l'élément tubulaire 17 à un mouvement de direction verticale au cours duquel les lamelles 18 se mettent à vibrer. Le liquide 2 est alors tout d'abord aspiré dans le tuyau 4, comme représenté par les flèches 25. Le liquide monte dans le tuyau (flèche 26) et le quitte en passant par-dessus le bord supérieur. Le liquide arrive alors sur la coupelle brise-jet 16 qui le dévie vers le bas.Le liquide tombe sur les lamelles oscillantes 18 qui transmettent leur énergie motrice au liquide et agissent contre les forces d'adhésion et de cohésion du liquide, pour augmenter la surface de contact entre l'air ambiant ou les gaz ambiants et le liquide. Le liquide qui arrive sur les lamelles oscillantes 18 en provenant du tuyau de remontée, comme indiqué par les flèches 27, augmente sa surface déjà lors du passage sur la coupelle brise-jet 16. Le liquide est encore plus dévisé (comme représenté par les flèches 28) puis il revient sur le niveau 3 et entraîne l'oxygène de l'atmosphère ambiante. Comme la pénétration de ce liquide finement divisé se fait à une certaine distance du tuyau de remontée 4, tout le liquide contenu dans le récipient 2 subit l'opération décrite ci-dessus. L'enrichissement du liquide 2 en gaz comme par exemple oxygène de l'air peut être commandé à l'aide d'un instrument de mesure détectant la teneur en gaz de ce liquide. Un tel instrument de mesure est par exemple une sonde à oxygène 24 qui mesure constamment la teneur en oxygène du liquide. Cet instrument assure le fonctionnement des générateurs de vibrations à balourds 22 aussi longtemps que la teneur en oxygène du liquide est inférieure à la valeur-limite supérieure. Lorsque la teneur en oxygène du liquide dépasse cette valeur limite supérieure, on arrête le générateur de vibrations 22,et-lorsquton passe sous la valeur limite inférieure de la teneur en oxygène, on branche de nouveau ces générateurs de vibrations 22. Lorsque les générateurs de vibrations sont arrêtés, le dispositif consomme très peu d'énergie.En même temps que l'on arrête les générateurs de vibrations, on peut également commandeur le dispositif de levage électromagnétique et abaisser la partie supérieure 13 du'tuyau de remontée jusqu'en dessous du niveau 3 du liquide afin de limiter à une faible valeur énergie nécessaire à une mise en circulation du liquide à l'aide de l'hélice 5. Grâce à une telle continuité de la circulation du liquide 2, on évite le dépôt des particules du liquide au fond du récipient. Pour éviter un tel dépôt, on met le tuyau de remontée 4 au voisinage du point le plus bas du fond du récipient. Dans beaucoup de cas, il est également avantageux d'inverser le sens de rotation de l'hélice. On obtient alors un écoulement tel que représenté à la figure 3, lorsque la partie supérieure 13 du tuyau de remontée 4 est en-dessous du niveau du liquide : le jet du liquide qui descend dans le tuyau 4, et rencontre le fond du récipient, évite tout dépôt à cet endroit. Dans le mode de réalisation selon les figures 4 à 6, on a prévu deux rangées de lamelles 18a et 18b superposées, sur un tuyau 17 et réparties régulièrement à la périphérie. Les lamelles 18a se trouvant dans la rangée supérieure sont décalées angulairement par rapport aux lamelles 18b de la rangée inférieure et les lamelles d'une rangée recouvrent les surfaces libres 30 existant entre les lamelles de l'autre rangée. Les lamelles elles-mêmes sont en métal ou en matière synthétique, et ont une fréquence propre élevée. La longueur des lamelles 18a de la rangée supérieure est plus grande que celle des lamelles 18b de la rangée inférieure. En outre, le temps d'amortissement à la suite d'un choc d'excitation des lamelles de la série supérieure est plus grand que celui des lamelles de la série inférieure. Le tuyau 17 est relié par une tringlerie 19 à-une plaque 21 susceptible de vibrer. Comme dans 1' exemple de la figure 1, cette plaque est mise en vibration par les générateurs de vibrations à balourds 22. Le mouvement vibrant se fait dans la direction verticale. Comme cela est représenté par la double flèche 31 à la figure 7, on a un mouvement ascendant et descendant de l'élément de tuyau 17. Au cours de ce mouvement, les lamelles 18a et 18b vibrent. Au cours d'un choc d'excitation du générateur d'oscillations 22, les résonnateurs 20 prévus sous la plaque 21 portant ces générateurs 22 et constitués d'éléments oscillants tels que des ressorts ou des éléments en métal et en caoutchouc, et qui sont accordés de façon correspondante, sont excités en régime surcritique,si bien qu'en dehors de la fréquence fondamentale engendrée par les excitateurs 22 on a également des fréquences harmoniques qui sont transmises des résonnateurs par la plaque 21 aux lamelles en éventail.Du fait du serrage unilatéral des lamelles sur l'élément de tuyau 17, on a dans cette transmission d'oscillations tout d'abord des oscillations harmoniques,et sous l'influence de la fréquence propre des lamelles, on a des interférences,si bien que l'on obtient une combinaison partiellement apériodique de fréquences et d'amplitudes, comme cela est représenté à la figure 8. On remarque dans cette figure la vibration fondamentale obtenue par un choc et les premières oscillations supérieures crées par les résonnateurs ainsi que les interférences des lamelles oscillantes, résultant de la fréquence propre de celles-ci. On peut également réaliser le dispositif selon l'invention pour le loger dans un récipient fixe assez grand. Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser un mécanisme à moteur pour modifier le point de fonctionnement du dispositif dans le récipient. Dans le cas de récipient annulaire, on peut faire tourner lentement et constamment le dispositif à travers le récipient. On peut également prévoir un mécanisme de déplacement pour des récipients rectangulaires, pour déplacer alternativement le dispositif. Lorsqu'on veut soumettre le liquide enrichi en gaz à d'autres procédés, après cet enrichissement, on peut évacuer le liquide en prévoyant des orifices dans la coupelle brise-jet, au voisinage de son centre. Au-dessus de ces orifices, on prévoit une autre coupelle convexe et on munit la première d'un bord recourbé vers le haut ainsi que d'une rigole d'écoulement à un endroit où la coupelle brise-jet est inclinée pour évacuer le liquide par cette rigole. Dans ce cas, on recueille dans la coupelle brise-jet le liquide ramené par la coupelle supérieure sur le côté supérieur de la première coupelle. On peut ainsi évacuer toujours une quantité déterminée de liquide lors du fonctionnement du dispositif. De façon générale, on envoie dans ce cas une quantité correspondante de liquide au récipient, au cours du traitement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés. On pourra au besoin recourir à d'autres modes et à d'autres formes de réalisation,sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 10) Dispositif pour enrichir un liquide en gaz, et qui comporte un tuyau de remontée prévu dans un récipient, le liquide étant susceptible d'être entraîné vers le haut à travers ce tuyau par un dispositif d'entraînement, et une surface déviatrice étant prévue au-dessus du tuyau de remontée, pour ramener vers le bas la veine de liquide, dispositif caractérisé en ce que le dispositif de transport du liquide dans le récipient est prévu dans le tuyau de remontée en-dessous du niveau du liquide et la surface de déviation a la forme d'une coupelle brise-jet, et au niveau du liquide qui tombe de cette coupelle brise-jet le dispositif comporte des lamelles, entraînées, susceptibles d'osciller et de se déplacer dans une direction verticale. 20) Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que le dispositif d'entraînement du liquide comporte une hélice axiale. 30) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'entraînement de l'hélice est assuré par un moteur électrique réversible. 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tuyau de remontée est constitué de deux parties emmanchés télescopiquement, la partie inférieure se trouvant en-dessous du niveau du liquide et la partie supérieure pouvant être également abaissée jusqu'en dessous du niveau du liquide. 50) Dispositif selon la revendication 4,caractérisé en ce que la partie supérieure du tuyau de remontée est reliée par une tringlerie à des dispositifs de levage électromagnétiques. 60) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la coupelle brisejet est bombée de façon convexe en vue de dessus. 70) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les lamelles sont réalisées en un matériau choisi dans le groupe formé par le métal et les matières synthétiques, le matériau ayant une fréquence propre élevée. 80) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les lamelles sont reliées indirectement à une plaque montée de façon à pouvoir osciller, et sur laquelle sont prévus des générateurs d'oscilla tions à balourds, fonctionnant de façon inverse, et entraînés par des moteurs électriques. 90) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les lamelles sont fixées unilatéralement sur une partie de tuyau, et en ce qu'au moins trois tiges de liaison sont reliées à la plaque susceptible d'osciller. 100) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,caractérisé en ce que les lamelles sont réparties en éventail, suivant au moins deux rangées superposées. 11 ) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les lamelles sont réparties régulièrement en étoile sur la périphérie et les lamelles d'une rangées sont décalées angulairement par rapport à celles de l'autre rangée, pour recouvrir réciproquement les intervalles existant entre deux lamelles d'une rangée. 120) Dispositif selon la revendication il ,carac- térisé en ce qu'il comporte deux rangées de lamelles et la longueur de. lamelles d'une rangée est supérieure à celle des lamelles de l'autre rangée. 130) Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'après un choc d'excitation les lamelles de la rangée supérieure ont une temps d'amortissement supérieur à celui des lamelles de la rangée inférieure. 140) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à i3,caractérisé en ce qu'il est prévu sur un support qui est muni d'un mécanisme de déplacement entraîné par un moteur, pour modifier le point de fonctionnement du dispositif d'enrichissement en gaz, par rapport au récipient contenant le liquide à traiter. 150) Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le mécanisme de déplacement communique au support du dispositif d'enrichissement en gaz un mouvement tournant audessus du récipient annulaire. 160) Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le mécanisme de déplacement comporte un entraînement réversible pour déplacer alternativement le support muni du dispositif par-dessus un récipient rectangulaire. 170) Dispositif selon l'une quelconque des revendications l à 16, caractérisé en ce que la coupelle brise-jet comporte des orifices au voisinage de son centre,et au-dessus de ces orifices le dispositif comporte une autre coupelle convexe, la coupelle brise-jet étant recourbée vers le haut suivant son bord et comportant une rigole d'écoulement à l'endroit où elle est inclinée.