Brevet FR2187400A1 — publié le 19740118

La présente invention concerne un dispositif d'aération continue de liquides, applicable en particulier à ltoxygénation d'eaux d'égoft. On connait de nombreux dispositifs de ce genre qui entrent dans deux classes principales, à savoir le type à soufflage par trompe et le type à écoulement continu. Le dispositif suivant l'invention appartient à la dernière classe mais il diffère des appareils de ce type du fait que de nombreux aérateurs à écoulement continu sont basés, dans une certaine mesure, sur le principe appliqué dans les laveurs de gaz, où une interaction se produit à une interface solide et où il est par conséquent nécessaire de prévoir de plus grandes aires superficielles et des parcours plus longs ou tortueux. Malheureusement, dans les deux types de dispositifs, 1' oxygène peut se présenter sous forme de petites bulles qui, malgré leurs faibles dimensions, peuvent finalement atteindre la surface du liquide et s'échapper au lieu d'être correctement dissoutes en vue de satisfaire aux besoins biologiques en oxygène. Une autre cause d'inefficacité est que, s'il existe de petites bulles, elles peuvent se fondre ensemble et s'échapper au lieu d'être dissoutes. De longs parcours tortueux ou une série de chicanes réduisent les vitesses d'écoulement du liquide. Il est évident qu'une réduction du débit d'aération peut remédier à ces inconvénients mais, d'une façon générale, il est nécessaire d'avoir à la fois un haut rendement d'aération pour de grands débits d'aération. L'invention a pour objet un procédé suivant lequel le liquide à aérer est mélangé à un courant de gaz dirigé vers le haut, ce mélange étant dispersé dans une première quantité du liquide et cette dispersion étant diluée dans une nouvelle quantité du liquide. L'invention concerne également un dispositif statique et relativement peu coûteux permettant la mise en pratique du procédé précité à l'aide de deux entonnoirs convergents successifs, convenablement espacés l'un de l'autre, et d'une buse dirigeant le gaz vers le haut à travers le premier convergent. Un dispositif d'aération conforme à l'invention est décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels fig. 1 est une coupe verticale d'un tel dispositif d'aé ration d'un bassin d'eaux d'égoft, monté au-dessus d'une conduite de distribution d'air; fig. ls est une courbe de la distribution de l'air, mesurée par la teneur en oxygène; fig. 2, 2A, 3 et fA montrent qualitativement les types de défauts qui peuvent se produire lorsqu'on n'apporte pas beaucoup de soin à la conception ou à l'utilisation du dispositif; fig. 4 est un graphique donnant le débit d'aération qui peut être obtenu avec le dispositif suivant l'invention par comparaison avec un dispositif intermittent de type connu, actionné par siphon. Dans le dispositif de fig. 1, un tube de mélange 2 est installé au-dessous de la surface d'un liquide, par exemple d'eaux d'égout brutes 4. Une buse 6 est vissée dans une conduite 8 d'alimentation en gaz qui est généralement d'assez grand diamètre pour pouvoir être munie de plusieurs buses sans perte de charge excessive en service. D'une façon générale, le gaz est de l'air comprimé mais on peut aussi utiliser de l'oxygène ou bien un autre gaz à dissoudre. Immédiatement au-dessus de la buse 6 est disposé un en entonnoir 10 comportant une partie conique convergente 12 et une partie cylindrique parallèle 14. L'entonnoir est supporté dans le tube 2 à l'aide de bras 15. Le tube 2 s'étend vers le bas jusqu'au tuyau 8 de façon à pouvoir être aisément monté sur celui-ci et il comporte deux séries d'ouvertures d'entrée 16 et 18, chacune des ouvertures s'étendant circonférentiellement sur un arc de tube aussi grand que le permet la bonne rigidité de ce dernier. Àu-dessus de l'entonnoir 10 est disposé un second entonnoir 20 comportant une partie conique convergente 22 et une partie cylindrique parallèle 24. Ce second entonnoir 20 est fixé sur la paroi du tube mélangeur 2 entre la première série d'orifices, 16, et la seconde, 18. En service, le gaz sortant par la buse 6 peut, par une conception appropriée de l'installation, être complètement mélangé de manière que le profil de distribution de l'air dans la section du tube 2 soit uniforme (mis à part les effets de couche limite) à une distance de 1' extrémité de l'entonnoir 20 égale à deux diamètres, c'est-à-dire à une distance d'environ deux diamètres de 1' extrémité aval de la partie cylindrique 24. Quoique l'explication donnée ci-après ne doive en aucun cas être considérée comme limitant l'invention, on pense que le phénomène qui se produit probablement est que le fluide, bien qu'étant liquide, se comporte dans une certaine mesure comme un gaz et qu'il doit se produire un mélange du liquide aéré avec du liquide non aéré dans la zone de turbulence produite lors de la détente qui succède à l'écoulement rapide à travers un entonnoir convergent. La perte de charge produite par cette détente augmente la dimension des bulles qui éclatent alors facilement lors de leur mélange turbulent avec un courant de liquide non aéré. Ainsi, on a constaté que, pour l'aération d'eaux d'égoûA le diamètre correct de la buse 6 était de 9 mm pour une alimentation en air comprimé sous une pression de 013T d'air et un tube mélangeur 2 de 300 mm de diamètre. Cela donne un débit d'environ 70 dm3 par minute si l'orifice est immergé à une profondeur de 2,5 m dans les eaux d'égoft. Avec le dispositif à buse et à double convergent représenté à la fig. 1, on a obtenu d'excellents résultats en plaçant la première entrée 16 à une hauteur de 8,5 cm. Le premier entonnoir 10 est à 6,5 cm de la génératrice supérieure de la conduite 8, ce qui permet au courant de liquide induit par l'écoulement d'air à travers la buse 6 de se diviser en deux courants 26 et 28. L'air sortant de la buse 6 est divisé en petites bulles par la turbulence produite par l'augmentation de vitesse du fluide dans la partie convergente 12. Après que le courant 26 a passé dans l'entonnoir retourné 10, il rejoint le courant 28 et, sous l'influence de ltenton- noir 20, ces courants se mélangent en produisant le courant 30. Ce courant induit à son tour un courant d'eaux d'égout à travers la seconde entrée 18, d'une largeur de 50 mm, pour former un courant 32 comme indiqué sur le dessin. La turbulence, la vitesse relativement faible, la grande section et la distribution de 1'air dans le courant 30 sont telles qu'il se produit un bon mélange des courants 30 et 32, sans qu'il soit nécessaire de prévoir des générateurs de turbulence; ce mélange est réalisé sur une distance de deux diamètres à partir de l'extrémité 24 de l'entonnoir 20.La distance entre la première et la seconde entrée est égale à un diamètre du tube 2 et, par conséquent, on peut obtenir un profil uniforme de distribution d'air sur une distance égale à environ trois diamètres de tube à partir de la buse d'air 6; un tel protil de distributio#st représenté par la fig. 1A. Evidemment, le système qui donne les meilleurs résultats des est fonctio#caractéristiquesdu liquide et du gaz à mélanger de gazet, en particulier, de la pression de gaz et de la densité de la YiF cosité, de la tension superficielle et de la température du liquide. Néanmoins on a constaté que, dans le dispositif ci-dessus décrit, on obtient de bons résultats en donnant au premier entonnoir 10 un diamètre initial de 16,5 cm à sa grande extrémité, ce diamètre diminuant à 7,3 cm sur une longueur axiale également de 7,5 cm de façon à obtenir un demi-angle de conicité compris entre 30 et 310. Cette partie est suivie par une partie droite de 7,5 cm de diamètre et également de 7,5 cm de longueur. Le diamètre du second entonnoir 20 est, à la grande ex- trémité de sa partie conique convergente, égal à celui du tube, ctest-à-dire 300 mm et diminue jusqu a 150 mm sur une longueur axiale de 195 mm de façon à obtenir un demi-angle de conicité un peu supérieur à 210; cette partie est suivie par une partiedroi- te de 150 mm de diamètre et de 75 mm de long.La position de cet entonnoir est disposée par rapport à la seconde série d1ouvertu- res 18 de manière que la ligne médiane horizontale de celles-ci soit située entre la moitié et les deux-tiers de la hauteur du tronc de cône, Bien que le second entonnoir soit ainsi placé par rapport à la seconde entrée 18, il est évident qu'il coopère avec le premier entonnoir pour assurer un mélange et une aération corrects. On conçoit qu'il n'est pas possible de couvrir toutes les combinaisons de variables mentionnées plus haut et il est excessive- ment compliqué de faire une analyse dimensionnelle, en particulier lorsque certains paramètres sont variables, de sorte qu'une configuration particulière est un compromis tenant compte de la valeur moyenne de trois paramètres ou plus, qui peuvent chacun varier de façon continue et indépendamment les uns des autres dans un certain intervalle Néanmoins on peut donner certaines règles générales pour obtenir des résultats satisfaisants.Si la distance séparant les deux entonnoirs est trop faible, c'est-à-dire si l'entrée 18, avec l'entonnoir 20, est trop rapprochée de l'entrée 16 (ou bien si elle est utilisée avec un angle trop grand), le courant 28 a tendance à êtré étranglé et le courant 26 à être allongé de sorte qu'on obtient un mauvais profil de distribution d'air. Un filet central à grande vitesse d'écoulement a tendance à se former, ce filet étant assez instable, de forme sensiblement hélicordale et se déplaçant de façon aléatoire dans une section droite circulaire du tube de mélange suivant l'invention.On rencontre également ce type de distribution lorsque le second entonnoir est complètement supprimé, lteffet et le profil de distribution dtair résultants étant indiqués sur les fig. 2 et 2A. La position de la seconde entrée 18 n'a pas été indiquée pour clarifier le dessin, l'entonnoir étant représenté en traits mixtes. D'autre part, si le second entonnoir est déplacé vers l'aval, comme 11 indique la fig. 3, le profil de distribution d'- air peut entre plus ou moins satisfaisant à la sortie mais le liquide n'est pas correctement aéré du fait que les bulleWS:ont fondues ensemble avant qu'un mélange correct se soit effectué dans le second entonnoir. Les bulles sont trop grosses et il en résulte une interaction moins efficace du gaz et du liquide. La description qui précède montre qu'une structure inférieure à l'optimum pour une série de conditions peut travailler très correctement si l'on fait varier une ou plusieurs de ces conditions; si le second entonnoir semble être trop éloigné vers l'aval, cet effet défavorable peut être en partie compensé en augmentant la pression d'air; les dimensions ne sont pas critiques, mais on peut obtenir les meilleurs résultats par des essais empiriques. Pour cette raison, il est préférable de réaliser l'entonnoir 20 et le tube 2 de manière qu'on puisse régler la position axiale dudit entonnoir dans le tube.Bien que ce problème puisse etre résolu de toute manière appropriée, on a prévu, dans un mode de réalisation particulier, des goujons fixés sur la jupe de l'entonnoir et sur lesquels se vissent des écrous à oreille, ces goujons étant engagés dans des fentes longitudinales ménagées dans la partie correspondante du tube 2 entre les entrées 16 et 18. Le graphique de la fig. 4 montre que le type d'aération obtenu selon l'invention (courbe A) est considérablement plus efficace que celui obtenu par le dispositif du type à siphon tinter mottent (courbe B) qui était utilisé auparavant et qui a été décrit dans le brevet canadien NO 746.669, le même volume de liquide ayant été aéré Jusqu'à contenir neuf parties par million d'o zygène en 6 minutes, alors qu'il faut 10 minutes avec le dis- positif connu. REVENDICATIONS. 1. Dispositif d'aération continu de liquides, caractérisé en ce qu'il comprend une buse d'injection d'un courant de gaz contenant de l'oxygène, un premier entonnoir convergent vers l'aval, situé à une certaine distance en aval de ladite buse et coopérant avec celle-ci de manière que du gaz sortant de la buse puisse entraîner du liquide et se mélanger avec lui, et un second entonnoir convergent vers l'aval et disposé à une certaine distance en aval du premier entonnoir en coopérant avec lui de manière que le mélange de liquide et de gaz puisse entrainer d'autres liquides et se disperser dans celui-ci. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un tube de grande longueur délimitant un orifice d'accès à la dispersion de liquide et de gaz sortant du premier entonnoir et coopérant avec lui pour que la dispersion entraîne d'autres quantités de liquide brut et soit diluée dans celui-ci. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier entonnoir comporte une partie rectiligne faisant suite à la partie convergente et d'une longueur égale à la longueur de la partie convergente. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le second entonnoir comporte une partie rectiligne d'une longueur égale à celle de la partie rectiligne du premier entonnoir. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier entonnoir comporte un diamètre d'entrée sensiblement égal au diamètre de sortie du second entonnoir. 6. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le second entonnoir présente un diamètre de sortie égal à la moitié du diamètre du tube de grande longueur. 7. Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 6, caractérisé en ce que le tube s'étend vers l'amont du second entonnoir et comprend en outre un support pour le premier entonnoir, ce support s'étendant vers l'intérieur dudit tube, le second entonnoir étant de préférence monté sur ledit tube. 8. Procédé d'aération d'une masse de liquide, caractérisé en ce qu'on dirige un jet de gaz contenant de l'oxygène de bas en haut dans un conduit convergent de manière à entraîner du li quide et à produire un écoulement ascensionnel d'un mélange de gaz et de liquide, et on dirige ledit mélange ascensionnel dans un second conduit convergent de manière à entralner d'autres liquides et à disperser le mélange de gaz et de liquide dans une nouvelle quantité de liquide. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'on fait écouler la dispersion de bas en haut dans un tube de grande longueur de manière à entraîner une nouvelle quantité de liquide brut.