Brevet FR2184426A1 — publié le 19731228

La présente invention est relative à la diffusion de petites bulles de gaz dans un liquide, comme par exemple pour régénérer des lacs et des rivières pollués en introduisant sous forme de bulles de l'air ou de l'oxygène dans l'eau polluée. Suivant l'invention, on prévoit un appareil pour la diffusion de gaz dans un liquide, qui comprend un passage avec au moins une petite ouverture dans une partie de sa paroi latérale, des moyens destinés à établir un écoulement de gaz à travers cette petite ouverture et dans le passage de manière à former une petite bulle de gaz à l'endroit de l'ouverture , et des moyens pour établir un écoulement de liquide à travers le passage afin d'arracheur la bulle à partir de l'ouverture. Suivant l'invention , on prévoit également un appareil pour la diffusion de gaz dans un liquide qui comprend un bottier ou carter définissant une ouverture d'évacuation allongée, des moyens destinés à établir un écoulement de liquide à travers l'ouverture d'évacuation allongée suivant une direction perpendiculaire à son axe longitudinal , des moyens définissant une série de petites ouvertures le long d'une partie latérale s'étendant longitudinalement de l'ouverture d'évacuation allongée, et des moyens destinés à établir un écoulement de gaz à travers la série de petites ouvertures et dans l'ouverture d'évacuation afin de former de petites bulles qui sont arrachées de la partie latérale s'étendant longitudinalement de l'ouverture d'évacuation al- longée grace à l'écoulement de liquide à travers l'ouverture d'é évacuation allongée afin de favoriser ainsi la diffusion du gaz dans une masse de liquide à l'extérieur de l'ouverture d'évacuation. Suivant l'invention, on prévoit encore un appareil destiné à diffuser un gaz dans une relativement grande masse de liquidé , qui comprend des moyens de boitier ou de carter définissant plusieurs fentes parallèles, des moyens destinés à établir un écoulement de liquide à partir des moyens de bottier ou de car ter à travers les fentes dans la masse de liquide avec une pre mière vitsse, des moyens définissant plusieurs petites ouvertures le long d'au moins une partie latérale de chacune des fentes , et des moyens destinés à établir un écoulement de gaz à travers les petites ouvertures dans les fentes avec une seconde vitesse de manière à former une série de petites bulles de gaz à chacune des petites ouvertures, la première vitesse étant supérieure à la seconde afin de permettre à l'écoulement de liquide à travers-chacune des fentes d'arracher par cisaillement les bulles et de les enf traîner à partir des petites Gu-vertures avant que les bulles inmét diatement suivantes ne soient formées à l'endroit des petites oul- vertures, de manière à favoriser ainsi la diffusion du gaz dans la masse de liquide. Suivant l'invention, on prévoit également un procédé de diffusion de gaz dans une relativement grande masse de liquide, suivant lequel le gaz est fourni au liquide par l'intermédiaire d'au moins une ouverture de manière à y former une bulle et, avait sa formation complète, la bulle est entraînée dans la masse de liquide par un écoulement de liquide franchissant l'ouverture. D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une vue en perspective d'un assemblage de diffuseur comportant plusieurs unités ou modules réalisés suivant l'invention La figure 2 est une vue en coupe partielle à grande échelle suivant la ligne 2-2 de la figure 1, illustrant le rapport existant entre les assemblages ou barres de dispersion de gaz, une chambre d'alimentation en eau et plusieurs fentes d'évacuation dans l'une des unités de diffuseur. La figure 3 est une vue en élévation latérale à grand de échelle suivant la ligne 3-3 de la figure 2, illustrant des tubes capillaires destinés à former des bulles de gaz le long des côtés opposés d'une fente d'évacuation. La figure 4 est une représentation partielle à grar.- de échelle d'une partie de l'un d es tubes capillaires de la figure 3. La figure 5 est une vue en coupe illustrant la construction d'une variante de réalisation de l'assemblage de diftu- seur. Dien que ltassemblaae de diffuseur 10 (figure 1) puis- tre utilisé dans de nombreux environnements différents ,et assemblage de diffuseur est représenté à la figure 1 au fond 12 d'unlaccud'une grande m se 14 d'eau polluée.Cette eau polluée man que d'oxygène et ceci stoppose aux processus normaux de la vie né cessaires pour permettre aux pestons de vivre et pour maintenir dBs conditions hygiéniqtes convenables dans le lac 14.En dissolvant de l'oxygène dans l'eaux on accélère les processus naturels de pu rification de l'eau.Un Procédé et un appareil destinés à compléter le processus naturel de purification de l'eau grâce à l'addition d'oxygène à cette eauont.été décrits dans un brevet aux Etats-Unis d'Amérique n0 3505.213 au nom d'AndDny et Fulton .Bien que l'on envisage que l'assembEge de diffuseur 10 sera avantageusement utilisé pour favoriser l'absorption d'oxygène (ou d'autres gaz, par exemple de l'air ) par des masses d'eau, il doit être entendu que l'assemblage de diffuseur peut être utilisé pour favoriser l'absorption d'autres gaz par d'autres masses de liquide. L'assemblage de diffuseur 10 comprend plusieurs unités ou modules 18 avec des ouvertures ou fentes d'évacuation parallèles 20 à partir desquelles un mélange d'eau et de petites bulles 22 (figure 2) d'oxygène sont dispersas dans le lac 14 afin de l'oxygéner.Ces petites bulles 22 d'oxygène sont dispersées dans une relativement grande zone du lac 14 et s'élèvent lentement vers la surface de ce dernier.Les bulles doivent être aussi petites qu' il est possible en pratique afin de rendre l'adsorption maximum avant que les bulles atteignent la suface de l'eau.Si une bulle d'oxygène est relativement grande, elle s'élèvera rapidement jus qu'à la surface de l'eau et sera dissipée dans l'atmosphère avant que l'oxygène de la bulle puisse être absorbé dans l'eau.Toutefois, si les bulles d'oxygène sont relativement petites, elles s'élèveront lentement vers la surface d'une masse d'eau, de telle sorte qu'on disposera d'une plus longutfiériode pour l'absorption de 1' oxygène.En outre, de plus petites bulles présentent de relativeent grandes superficies par unité d'oxygène dans les bulles , afin de promouvoir l'absorption de gaz par l'intermédiaire des surfaces des bulles.Alors que les bulles 22 s'élèv3t,1htgènedansces buXesest absorbé par les eaux pauvres en oxygène du lac.Etant donné que les bulles 22 d'oxygène s'élèvetlentement et sont relativement petites avec une relativement grande superficie par unité d'oxygène contenue dans les bulles , pratiquement la totalité de l'oxygène est absorbée alors que les petites bulles s'élèvent lentement vers la surface du lac 14.Si les bulles étaient relativement grandes, elles monteraient rapidement vers la surface du lac, de telle sorte qu'on ne disposerait pas d'une période suffisante pour l'absorption de l'oxxrgène.Ceci pourrait avoir pour résultat une "perte par bouillonnement " ou dissipation de l'oxygène vers l'atmosphère. Bien évidemment, la dissipation de oxygène dens l'atmosphère augmente le prix de revient de l'obtention de la teneur en oxygène désirée dans l'eau du lac 14 et on peut également créer des conditions dangereuses pour la sécurité . Les modules ou unités 18 sont connectées à une source commune d'oxygène sous pression par une conduite à gaz prince pale 24 (figure 1) La conduite à gaz principale 24 est connectée à des barres de dispersion de gaz 28 dans chacune des unités 18, grâce à des conduites d'alimentation 30. En outre, chacune des unités 18 est alimentée en eau sous pression par un tuyau coma.un 32 auquel les unies de diffuseur 18 sont connectées par une pla que de base 34. Une pompe 33 illustrée schématiquement peut être associée au tuyau 32 et agit de manière à aspirer de l'eau à partir du lac 14 et l'voyer dans le tuyau 32. Un filtre convenable peut être utilisé pour empêcher les matières solides d'atteindre la pompe ou les barres de dispersion 28.Ainsi, lorsque les assemblages de diffuseur 18 sont utilisés pour oxygéner 1 lac 14 , les assemblages de diffuseur sont continuellement a- mentés en oxygène gazeux par la conduite à gaz 24 et ils sont continuellement alimentés en eau par le tuyau à eau 32.Pien çue la conduite à gaz 24 et le tuyau à eau 32 akttétê représen-ces r# la figure 1 comme reposant sur le fond 12 du lac, iD pourraient être suspendus ou supportés d'une autre façon au-dessus du fond du lac, si on le désire. Les modules d'assemblage de diffuseur 18 sont capas bles de produire des bulles extrêmement fines ou petites qui sont dispersées dans le lac 14.Les bulles 22 sont formées de part et d'autre des fentes 14 définies par les assemblages ou barres de dispersion de gaz 29 (voir les figures 2 et 3).Ainsi, les petites bulles 22 sont formées en rangées ou séries rectilignes 42 et 44 (figure 3) qui s'étendent parallèlement entre elles sur toute la longueur des côtés opposés s'étendant longitudinalement 46 et 48 des fentes 20 Ces bulles sont entraînées par l'eau qui s'écoule en un courant continu àpa:aard'um chanibre49(bXetàtra- vers les fentes 20 dans le lac.Les bulles sont entraînées avant d'être totalement formées.La chambre à eau 49 est connectée en communication pour le fluide au tuyau à eau 32 par des passages (non représentés) qui s'étendent à travers la plaque de montage 34 (figure 1). L'écoulement de l'eau à partir des fentes 20 entraî- ne les bulles sur une relativement grande distance dans le lac. Ceci a pour résultat la formation d'un "brouillard de gaz" ou nuage de bulles qui s'étend vers l'extérieur sur une distance importante à partir de l'assemblage de diffuseur 10. Les bulles 22 sont formées aux extrémités ouvertes 54 de tubes capillaires 58 qui s'étendent à partir de chambres à gaz 60 vers les côtés 46 et 48 des fentes 20 (voir les figures 2,3 et 4). Chacune des chambres à gaz 60 dirigées ves le haut est connectée en communication pour le fluide à la conduite à gaz 24, de telle sorte qu'un courant continu de gaz sous pression sté- coule depuis la conduite 24 à travers les tubes d'alimentation 30 (figure 1), vers chaque chambre à gaz 60.Le gaz s'écoule à partir des chambres 60 vers les côtés opposés 46 et 48 des fentes 20, par l'intermédiaire de rangées 62 et 64 (figure 3) de tubes capillaires parallèles 58.Une seule ligne droite ou série de petites bulles de gaz estibanée le long de chacun des côtés 46 et 48 de la fente 20 aux extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58. Les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58 sont espacées le long des côtés 46 et 48 de la fente 20 afin de tendre à réduire au minimum le volume d'eau requis pour disperser les bulles de gaz 22 dans le lac 14.Bien qu'une seule ligne ou rangée de tubes capillaires 58 espacés uniformément soit-#uti1isée sur chaque côté de la fente 20 dans l'assemblage de diffuseur illustré, plusieurs lignes ou rangées parallèles de tubes capillaires pourraient être prévues les unes derrière les autres sur chaque côté de la fente 20. Les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58 doivent offrir un petit diamètre si l'on doit former de petites bulles alors que le gaz s'écoule à partir des extrémités des tubes capillaires.Afin de faciliter la formation de petites bulles de gaz et la fabri#at1on de liassewblage de diffuseur 10, les tubes capillaires 58 sont des tubes en fibres de verre creux po & sédant des passages internes cylindriques avec un diamètre de 0,0064 à 0,0128 mm.Ces tubes en fibres de verre rectilignes sont relativement faciles à incorporer dans des barres de support 66 en association parallèle entre eux et en association perpendi- culaire avec l'axe longitudinal de la fente 20.Cetteincoporation des tubes capillaires 58 est réalisée en situant simplement les tubes avec l'association désirée et en laissant s'écouler une matière d'obturation étanche appropriée autour des tbes Lorsque la matière d'étanchéité se solidifie , elle connecte entre eu, de façon étanche les tubes capillaires 58 afin de former les barres 66 et d'empêcher un écoulement de fluide autour des tubes. Les petites extrémités ouvertes 54 des tubes en bres de verre 58 permettent la formation de relativement petites buîles,c'est-à- dire des bulles- dans une gamme de dimensions inférieures à 0,10 mm de diamètre.En fait, des essais ont révélé que des bulles avec un diamètre dans la gamme de 0,20 à 0,025 mm ont été formées.Etant donné que les tubes capillaires 58 sont relativement petits et espacés étroitement sur toute la longueur de la fente 20, un grand nombre de bulles de petit diamètre peut être formé le long des côtés 46 et 48 de la fente 20.Bien que les ouvertures 54 puissent être formées en perçant des trous dans les organes 56 ou en réalisant ces organes à partir d'un métal fritté poreux, il a été détermine que les tubes capillaires 58 produisent des bulles à une vitesse et avec une uniformité de dimension qui ne pouvaiatêtre obtenues avec ces autres constructions. Afin de favoriser le transfert de petites bulles distinctes 22 à partir des ouvertures 54 des tubes capillaires vers le lac 14, chaque bulle 22 est entraînée à partir d'une ouverture de tube capillaire 54 sur laquelle elle est formée avant la for mation de la bulle suivante à l'endroit de l'ouverture.Ceci est réalisé en revoyant un écoulement d'eau à relativement grande vitesse > travers l'étroite fente 20 et en amenant du gaz a une vitesse quelque peu inférieure vers les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58.Ceci a pour résultat une action de i saillement grace à laquelle les bulles sont arrachées des tubes capillaires.A cause de la différence de vitesse de l'eau et du gaz, on dispose d'un temps suffisant pour que chaque bulle 22 soit cisaillée ou arrarvhée à partir du cté de la fente 20 et entraînée à partir de so ouverture capillaire 54 associée par 1' écoulement d'eau avant la formation de la bulle suivante.La fente 20 a une relativeent petite largeur , afin de réduire au minimum l'écoulement volumétrique de l'eau à grande vitesse à travers la fente. Comme indiqué précédemment, plus petite est la dimens ion des bulles et plus efficace est l'adsorption. Par conséquant, l'assemblage de diffuseur illustré , qui produit des bulles extrê- mement petites, offre un système efficace et sflr à cause de la valeur élevée d'absoption avant que les bulles ne viennent se briser à la surface du lac. Comme indiqué précédemment, plus petit est le diamètre des bulles et plus lentement cette bulle s'élèvera. De même, plus petite est la bulle et plus rapide est la vitesse d'absorption.Par exemple, il a été déterminé que pour qu'une bulle se dissolve lorsqu'elle est libérée dans dix- pieds d'eau, le diamètre de la bulle ne doit pas dépasser 0,18 mm.Une bulle de cette dimension a une vitesse d'élévation d'environ 3 cm/sec., ce qui signifie que la bul1eau#-besOinde#secondes pour s'élever sur 300 cm.Cette même bulle a besoin d'environ 100 secondes pour être totalement dissoute.Ces données indiquent que pour obtenir une utilisation à 100% de l'oxygène dans 300 cm d'eau , les bulles ne doivent pas avoir une dimension supérieure à 0,18 mm.Des exemples analogues pour d'autre profondeurs peuvent également être déterminés. Etant donné que la dimension de bulles nécessaire pour procurer la flottabilité essentielle pour surmonter la tension superficielle maintenant la bulle sur le tube capillaire est supérieure à un diamètre de 0,5 mm,jlne s'est pas révélé. possible d'engendrer des bulles uniformes avec un diamètre inférieur à 0,5 mm en laissant simplement s'écouler un gaz à travers un petit tube capttllaire. De plus, les tubes capillaires en verre avec un diamètre de 0,064 mm offrent un trou de passage à gaz uniforme, rectiligne et extrêmement petit.Ces capillaires uniformes produiserL de petites bulles uniformes , à cause de leur configuratioi n outre, la conservation de l'eau pompée est réalisée en assurant que la totalité de l'eau alors qu'elle est pompée est envoyée transversalement par rapport à la surface de cisaillement des bulles.Ceci est dû en partie au fait que le diffuseur est conçu avec une fente à eau qui envoie de force la totalité de l'eau pompée sur la surface de cisaillement des bulles. Dans l'assemblage illustré aux figures 1 à 4, la série de tubes capillaires 58 est disposée le long de chaque côté s'étendant longitudinalement d'une fente 20, de telle sorte qu'une série de bulles de gaz est formée sur les côtés opposés de la fente.Ceci favorise un mélange efficace des bulles de gaz avec l'eau alors que le gaz s'écoule à travers la fente 20 dans le lac 14.L'assemblage illustré à la figure 5 est construit et fonc- tionne àpproximatîvement de la même façon que l'assemblage des figures 1 à 4.Toutefois, l'assemblage de diffuseur 70 à la fige 5 possède une seule série 72 de tubes capillaires 74 agencés le long d'un côté 76 d'une fente 78.Par conséquent, des bulles de gaz sont formées uniquement le long du côté 76 de la fente 78. Le côté 80 de la fente 78 n'est pas interrompu par des ouvertures de tubescapillaires.L'oxygène ou un autre gaz est envoyé à parti d'une conduite à gaz (non représentée) et par l'intermédiaire d'un passage 82 , à une chambre 84 dirigée vers le haut , qui est connectée en communication pour le fluide avec les extrémi- tés ouvertes des tubes capillaires 74.Les autres extrémités de ces derniers sont disposées le long du côté 76 de la fente 78 Une chambre 88 est connectée à un tuyau à eau (non représenté ) par un passage 90, de telle sorte que de l'eau sous pression s'écou'e à partir de la chambre 88 à travers la fente 78 , franchit le- eau trémités ouvertes des tubes capillaires 74 et cisaille les bulles de gaz à partir des tubes capillaires aussitôt qu'ellescomi#ncenL à se former Il convient de remarquer que les assemblages de dif fuseur 10 et 70 présentent tous deux desouvertures ou fentes allongées 20 et 78 avec une largeur ou intervalle qui peut être aisément fixé au cours de la fabrication des assemblages de diffuseur de manière à offrir le rapport désiré entre la largeur du courant d'eau s'écoulant à travers les fentes et les bulles de gaz formées sur les côtés des fentes. Au cours du fonctionnement des assemblages de diE- fuseur 10 et 72 , de petites bulles de gaz sont formées aux extrémités ouvertes des tubes capillaires, le long des côtés des fentes.Aussitôt que les bulles se sont formées, elles sont cisaillées à partir des côtés des fentes par un écoulement d'eau à travers ces fentes et dans le lac dans lequel le gaz doit être absorbé.La vitesse de l'eau s'écoulant à travers ksSr.tes est supérieure à la vitesse du gaz s'écoulant à travers les tubes capillaires 58 et 74,de telle sorte que chaque bulle est entraînée à partir de son tube capillaire associé par l'écoulement d'eau à travers la fente avant que la bulle de gaz suivante ne soit formée sur le tube capillaire.Ces#bulles de gaz sont relativement petites et s'élèvent lentement, de telle sorte qu'elles sont balayées à partir du diffuseur sur une relativement grande distance dans le lac.La vitesse d'ascension relativement lente des bulles de gaz et le fait qu'elles sont entraînées vers l'extérieur sur une relativement grande distance à partir du diffuseur favorise 1'abso tion du gaz dans la masse d'eau et réduit la perte par bouillonnement du gaz vers l'atmosphère. L'assemblage de diffuseur 10 peut être utilisé pour le traitement des eaux usées , la fermentation et d'autres processus dans lesquels un gaz est diffusé dans une masse de liquide. Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet. REVENDICATIONS 1.Procédé de diffusion de gaz dans une relativement grande masse de liquide , caractérisé en ce que le gaz est fourni dans le liquide par l'intermédiaire d'au moins une petite ouverture de manière à y former une bulle et, avant sa formation complète,la bulle est entraînée dans la masse de liquide par un écoulement de liquide franchissant l'ouverture. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est fourni par un tube capillaire à l'ouverture précitée , la vitesse du gaz dans le tube capillaire étant de préférence inférieure à la vitesse de l'écoulement de liquide franchissant l'ouverture précitée. 3. Appareil pour la diffusion d'un gaz dans un liquide et pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il smprend un passage avec au moins une ouverture à travers une partie latex rale du passage,un agencement permettant un écoulement de gaz vers l'ouverture de manière à former une petite bulle du gaz à l'endroit de l'ouverture et un agencement pour l'établissement d'un écoulement de liquide à travers le passage afin d'arracher par cisaillement la bulle. 4. Appareil suivant la revendication 3,caractérisé en ce qu'il existe plusieurs des ouvertures précitées , chaque ouverture étant définie par l'extrémité d'un tube respectif par mi plusieurs tubes capillaires qui recoupent le passage , chaque tube capillaire ayant de préférence une configuration en section transversale généralement circulaire avec un diamètre compris entre 0,0064 et 0,0128mm approximativement , de telle sorte. que chacune des bulles produites aux petites ouvertures a un diamètre inférieur à 0,10 mm. 5.Appareil suivant la revendication 4,caractérisé en ce qu'il comprend une autre multiplicité de tubes capillaires débouchant dans le passage par l'intermédiaire d'une autre strie de petites ouvertures le long d'une seconde partie du passage qui est opposée aux ouvertures des premiers tubes capillaires praciK tés ff cette autre multiplicité de tubes capillaires étant aliment tee avec ur. écoulement de gaz de même que les premiers tunes ca-- pilulaires précités, de telle sorte que des bulles de gaz soient formées le long des de a parfes opposées ou passage et en soient cisailléesalors que le liquide s'écoule à travers le passage. 6.Appareil suivant l'une ou l'autre des revendications 4 et 5,caractérisé en ce que les tubes capillaires présentent des axes longitudinaux pratiquement rectilignes qui s'étendent transversalement par rapport au sens d'écoulement du liquide à travers le passage et sont situés de préférence dans une paroi quicMefini; au moins partiellement le passage précité. 7.Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6,caractérisé en ce que l'agencement destiné à établir l'écoulement de liquide à travers le passage est efficace pour établir un écoulement de liquide à une vitesse qui est supérieure à celle de l'écoulementdegazàtravers les tubes capillaires , de telle sorte que l'écoulement de liquide dans le passage entrai ne chaque bulle à partir de l'une des petites ouvertures avant qu'une autre bulle ne soit formée à l'endroit de cette petite ouverture. 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le passage est une ouverture d'évacuation allongée dans un boîtier ou carter et l'agencement destiné à établir l'écoulement de gaz à travers les petites ouvertures comprend une chambre connectée en communication pour le fluide à une source de gaz et en communication pour le fluide avec chaque tube capillaire.