Brevet FR2167758A1 — publié le 19730824

La présente invention concerne un appareil pour mettre un gaz au contact d'un liquide, cet appareil étant utilisé pour que le gaz ou les substances qutil contient soient absorbés ou réagissent de façon efficace avec le liquide. On connalt de façon générale, les agitateurs comportant des pales de turbine. Ils dispersent les gaz introduits sous les pales dans le liquide par agitation du liquide sous l'effet de la rotation des pales. Cependant, un tel agitateur disperse insuffisamment le gaz et consomme une quantité importante d'énergie pour agiter le liquide. De plus, un tel agitateur est coûteux car il nécessite une base et un chassies suffisamment rigides pour résister aux vibrations énergiques et aux bruits provoqués par l'agitation des pales. D'autre part, le brevet Japonais NO 9 647 décrit un appareil de diffusion qui diffuse un gaz dans un liquide par rotation d'un cylindre rotatif dont une section verticale est en forme de U inversé en appliquant le gaz sous le dispositif de rotation. Dans un tel appareil, le gaz du dispositif de rotation n'est pas suffisamment dispersé dans le liquide dans tous les coins et recoins, en particulier en dessous et droit au-dessus du dispositif de rotation, par conséquent, le liquide ne vient pas suffisamment au contact du gaz. L'invention concerne un appareil pour mettre un gaz au contact d'un liquide qui disperse unftonnément le gaz dans le liquide. L'invention vise également un appareil pour mettre un gaz au contact d'un liquide permettant la dispersion efficace du gaz dans le liquide en réduisant la quantité d'énergie dépensée ainsi qu'un tel appareil de construction simple. L'appareil mettant un gaz au contact d'un liquide selon l'invention est constitué d'un récipient contenant le liquide, d'un élément rotatif placé dans le récipient pour disperser le gaz dans le liquide, cet élément rotatif étant creux et ayant une surface extérieure dont le périmètre augmente d'une extrémité vers l'autre par rapport à l'axe de rotation, un dispositif d'entraînement pour faire tourner l'élément rotatif, un dispositif pour raccorder l'élément rotatif au dispositif d'entraînement et un dispositif pour alimenter en gaz l'élément rotatif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente une coupe frontale d'un mode de réalisation d'appareil selon l'invention; la figure 2 représente une coupe frontale d'un autre mode de réalisation dtun appareil selon l'invention; la figure 3 représente une coupe frontale d'un élément rotatif utilisé dans l'appareil de la figure 1; la figure 4 représente une coupe frontale d'une modification de l'élément rotatif utilisé dans le mode de réalisation illustré par la figure 1; la figure 5 représente une vue en plan de 1' élément rotatif de la figure 3; les figures 6 à 8 représentent des coupes de modifications de l'élément rotatif utilisé dans le mode de réalisation illustré par la figure 1;; la figure 9 représente une coupe d'un autre mode de réalisation d'appareil selon l'invention, et la figure 10 représente des courbes montrant le rapport entre la vitesse d'absorption de l'oxygène et la quantité d'énergie consommée par quantité de liquide dans des expériences utilisant des appareils selon l'invention ou des appareils de l'art antérieur. Les figures 1 et 3 illustrent un appareil pour mettre un gaz au contact d'un liquide selon l'invention. Un récipient 1 destiné à contenir le liquide est constitué d'une paroi latérale cylindrique 11 et d'un fond légèrement concave 12. Le récipient 1 est de plus muni d'un couvercle amovible fixé à son extrémité supérieure. Le couvercle 13 comporte une canalisation dtévacuation de gaz 7 munie d'une vanne 71 et d'un dispositif d'entrainement 3. Le dispositif d'entratnement 3 est fixé à la partie centrale de la surface supérieure du couvercle 3 et comporte un arbre tournant 31 qui descend perpendiculairement vers le bas à travers un orifice 14 ménagé à la partie centrale du couvercle 13. Un élément rotatif 2 dont le périmètre augmente de l'extrémité supérieure vers l'extrémité inférieure pour disperser le gaz, est fixé à l'arbre 31 par soudage, filetage ou similaires à son extrémité supérieure et placé en position centrale dans la partie basse du récipient 1 comme le montre la figure 1.Il est préférable que l'élément rotatif 2 ait la forme d'un cone droit circulaire creux comportant la surface extérieure 21 et la surface intérieure 22, comme le montre la figure 3, car cette forme est simple et facile à fabriquer. Le périmètre de la surface extérieure 21 augmente progressivement de l'extrémité supérieure 24 de l'élément rotatif 2 vers son extrémité inférieure 23. On préfère un angle au sommet o de 60 à 1200. Une canalisation d'entrée de gaz 6 comportant une vanne 61 est fixée au récipient 1 de telle sorte qu'une de ses extrémités soit placée dans la partie creuse de ltélément rotatif 2, en particulier à la partie supérieure de la portion creuse, pour introduire le gaz dans l'élément rotatif dans le liquide. Une canalisation 4 d'entrée de liquide portant une vanne 41 est fixée à la partie supérieure du récipient 1, et une canalisation d'évacuation de liquide 5 comportant une vanne 51 est fixée au fond 12 du récipient 1. Lors du fonctionnement de l'appareil, on introduit tout d'abord le gaz dans le récipient 1 par la canalisation 6 en ouvrant la vanne 61, puis on introduit le liquide dans le récipient 1 par la canalisation 4 en fermant la vanne 51 et en ouvrant la vanne 41. Lorsque le niveau du liquide dans le récipient 1 a atteint une hauteur préalablement déterminée, on fait tourner l'élément rotatif 2 sous l'effet du dispositif d'entratnement 3 par l'intermédiaire de l'arbre 31. La vitesse de rotation de l'élément rotatif 2 est telle que la vitesse périphérique de l'élément rotatif 2 soit de 10 à 15 m/s à son extrémité inférieure 23. Sous l'effet de la rotation de l'élément rotatif 2, une force centrifuge A s'exerce sur le liquide à la surface extérieure 21 de l'é- lément rotatif 2.La force centrifuge A est répartie de telle sorte que son intensité s'accroisse de façon pratiquement linéaire de l'extrémité supérieure 24 vers l'extrémité inférieure 23, si bien que le liquide adjacent à la surface extérieure 21 de l'élément rotatif 2 s'écoule de la partie supérieure de l'élément rotatif 2 vers la partie inférieure de l'élément rotatif 2, comme le montre la flèche B. Sous l'effet du fond 12 et de la paroi latérale 11 du récipient 1 et de l'écoulement du liquide B, les écoulements C, D, etc s'amorcent. D'autre part, le gaz introduit par la canalisation 6 dans la partie creuse de l'élément rotatif 2 s'écoule vers l'extrémité inférieure de l'élément rotatif 2 le long de la surface intérieure 22 de ltélément tournant 2. L'écoulement du gaz est arreté par l'extrémité inférieure 22 de l'élé- ment tournant 2 et l'écoulement de liquide B, si bien qu'il se divise en formant une écume fine qui se réunit aux écoulements des liquides B, C, D, etc. Ainsi, le gaz est introduit dans le liquide dans tous les coins et recoins et dispersé de façon uniforme et vient suffisamment au contact du liquide, et ceci sta- joute au phénomène de diffusion du gaz dans le liquide et au déplacement du gaz par flottabilité.Dans le cas où l'angle au sommet ç est supérieur à 120 , l'écoulement du gaz à l'extrémité inférieure de l'élément rotatif 2 peut être si instable que le gaz ne peut se transformer en une écume fine et, dans le cas où l'an- gle au sommet ç est inférieur à 60% les écoulements des liquides B, C, D, etc. induits par la différence des forces centrifuges A ne sont pas toujours suffisants pour disperser le gaz dans tous les coins et recoins. Les figures 4 et 5 illustrent un élément rotatif 2a comportant plusieurs orifices 25a dans la partie centrale de la pente cons titué par la surface extérieure 21a et la surface intérieure 22a par rapport à l'axe de rotation. Dans ce cas, le gaz sortant par les orifices de dispersion 25a est coupé par la surface extérieure 21a et l'écoulement de liquide provoqué par la rotation de l'élément rotatif 2a, si bien qu'il est transformé en une écume fine qui s'associe aux écoulements des liquides. Le gaz qui s'écoule vers l'extrémité inférieure de l'élément rotatif 2a sans traverser les orifices de dispersion 25a est introduit dans le liquide comme il a été décrit pour 1' élément rotatif 2.La résistance à la rotation de l'élément rotatif 2a est inférieure à cel le de ltélément rotatif 2 car, en plus de la surface 22a recou- verte par le gaz, le pourtour de l'élément rotatif 2a entre les orifices de dispersion 25a et l'extrémité inférieur est recouvert par le gaz sortant par les orifices multiples de dispersion 25a. La figure 6 illustre une modification de ltélEment rotatif 2a. L'élément rotatif 2b comporte plusieurs orifices de dispersion 25bol, 25b2 et 25b3 dont le diamètre augmente vers l'extrémité inférieure de l'élément rotatif. La résistance à la rotation de l'élément rotatif 2b est inférieure à celle de l'élément rotatif 2a. La figure 7 illustre une modification de l'élément rotatif 2a dans laquelle les surfaces intérieure et extérieure 21C et 22C ont un caractère sphérique et sphéroïdal. La figure 8 représente une modification de l'élément rotatif 2a dont la surface intérieure 22d et la surface extérieure 21d constituent un cone dont la partie terminale inférieure est sphérique et sphé roiaale. Dans le cas où on utilise un liquide tel qu'une suspension ou un grand récipient, on préfère que l'appareil mettant le gaz au contact du liquide soit celui illustré par la figure 2 et non celui illustré par la figure 1. Cet appareil a un dispositif d'en traînement 3 placé au fond du récipient 1. Donc, un arbre -tcur- nant 32 raccordé au dispositif d'entraînement 3 est fixé à l'intérieur de l'extrémité supérieure de l'élément totatif 2. Une canalisation 62 comportant une vanne 61, servant à l'introduction du gaz dans l'élément rotatif 2 est placée au voisinage de l'arbre tournant 32. L'arbre tournant 32 est plus court que celui utilisé dans appareil illustré dans la figure 1.Donc, l'appareil permet une rotation stable de l'élément rotatif 2, malgré la résistance importante à la rotation qu'apporte la viscosité d'un liquide tel qu'une suspension. De plus, dans le cas où on utilise une suspension dans un appareil tel que celui illustré par les figures 1 et 2, ou dans le cas où un liquide est transformé en suspension par réaction avec le gaz sous l'effet de l'agitation du liquide en dessous de 1'éliment rotatif 2, la suspension adhère partiellement à la surface intérieure de l'élément tournant qui est recouverte par le gaz. La suspension qui adhère à la surface intérieure est évaporée et agglomérée par l'introduction du gaz à température élevée dans la partie creuse de l'élément tournant 2. Les substances agglomérées augmentent la quantité d'énergie consommée par l'appareil et créent à la longue des vibrations. La figure 9 illustre un appareil mettant un gaz au contact d'un liquide et comportant un dispositif empêchant les phénomènes précités. Ce dispositif introduit en continu le liquide sur la surface intérieure de l'élément rotatif 2 et ltempêche de sécher à cette surface et il est constitué d'une canalisation 8 dont une extrémité est réunie à la paroi latérale du récipient 1, l'autre extrémité 83 étant disposée en regard de la surface intérieure, une pompe servant à transporter le liquide et une canalisation 9 comportant une vanne 91 est réunie à une extrémité d'une canalisation 4 en aval de la vanne 41, l'autre extrémité est réunie à la canalisation 8 en amont de la vanne 82. Pour faire fonctionner ce dispositif, on ferme la vanne 91 et on ouvre la vanne 82, on fait tourner la pompe 81. Une partie du liquide du récipient 1 est projetée sur la surface intérieure de l'élément rotatif par l'extrémité 83 de la canalisation 8. D'autre part, lorsquton ouvre la vanne 91 après fermeture de la vanne 82, une partie du liquide, avant de réagir avec le gaz, est projetée contre la surface intérieure par la canalisation 9 et l'extrémité 83 de la canalisation 8. Donc, ce dispositif empêche l'agglomération d'un liquide telle qu'une suspension à la surface intérieure de l'élément rotatif 2. Dans la figure 10, la vitesse d'absorption de l'oxygène est exprimée en m moles d'02/l. h en ordonnées et le rapport de la quantité d'énergie consommée à la quantité de liquide (en wjî) est représenté en abscisses. Les résultats correspondent à diverses expériences conduites avec divers appareils de mise en contact d'un gaz avec un liquide.Les cburbes PO, P1 et P2 correspondent respectivement à un appareil utilisant l'élément rotatif 2a avec plusieurs orifices 25 selon l'invention, un unagitateur clas- sique avec des pales de turbine, et un élément rotatif cylindrique dont la section longitudinale forme un U inversé, en utilisant comme liquide une solution de sulfite de sodium et comme gaz de l'air, avec un récipient ayant une capacité de 30 1, un dépit d'air introduit dans l'élément rotatif de 30 1/mon, l'élément rotatif 2a ayant une surface extérieure dont la longueur de l'extrémité supérieure à l'extrémité inférieure est de 150 mm et l'angle vertical est de 900, et qui comporte 10 trous à son pourtour entre l'extrémité supérieure et l'extrémité inférieure, l'élément rotatif de type cylindrique ayant une paroi cylindrique de 100 mm de diamètre et de 150 mm de hauteur, et 10 orifices de dispersion à son pourtour à mi-hauteur, les dimensions des pales utilisées avec l'agitateur étant telles qu'on obtienne la dispersion de l'air la plus efficace possible. La figure 10 montre que lappa- reil selon l'invention apporte des vitesses de consommation d'oxygène bien plus importantes pour la meme quantité d'énergie consommée que les autres appareils. REVENDICATIONS 1 - Appareil pour mettre un gaz au contact d'un liquide, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un élément rotatif placé dans un récipient muni d'un fond destiné à contenir le liquide pour disperser le gaz dans le liquide, cet élément rotatif étant creux et ayant une surface extérieure dont le périmètre augmente d'une extrémité vers l'autre selon l'axe de rotation de l'élément rotatif et une surface intérieure, et étant disposée de telle sorte que son extrémité présentant un périmètre supérieur à l'autre extrémité regarde le fond du récipient, d'un dispositif d'entraînement pour faire tourner l'élément rotatif,d'un dispositif pour raccorder ltélément rotatif au dispositif d'entraSnement et d'un dispositif pour alimenter en gaz l'élément rotatif;; 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément rotatif comporte de plus au moins un orifice disposé entre les deux extrémités pour permettre le passage de la surface intérieure à la surface extérieure. 3 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltélément rotatif a la forme d'un cone circulaire droit creux. 4 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient comporte un couvercle portant l'élément d'entraînement et qui maintient le récipient fermé et des canalisations munies de vannes disposées respectivement dans ses parties supérieure et inférieure. 5 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'entraînement est disposé au fond du récipient et en ce que l'élément rotatif est fixé au dispositif de raccordement qui s'élève au-dessus du dispositif d'entratnement. 6 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif empêchant l'agglomération du liquide adhérant à la surface intérieure de 1 'élément tournant qui est alimenté en liquide. 7 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure de l'élément tournant est raccordée au dispositif d'entraînement placé à la partie supérieure du récipient par l'intermédiaire du dispositif de raccordement. 8 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'angle au sommet de l'élément tournant est supérieur à 600 et inférieur à 1200. 9 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'entraînementest raccordé à un arbre tournant et est disposé au fond du récipient et en ce que l'extrémité supérieure de l'élément tournant est fixée à l'arbre tournant qui stélève au-dessus du fond. 10 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément tournant comporte au moins un orifice entre ses deux extrémités pour permettre la-dispersion du gaz. 11 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément tournant a la forme d'un cône circulaire droit creux dont l'angle au sommet est supérieur à 600 et inférieur à 1200. 12 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément tournant a la forme d'un cone circulaire droit creux et comporte au moins un trou permettant le passage de la surface intérieure à la surface extérieure. 13 - Appareil selon-la revendication 3, caractérisé en ce que ltélément tournant comporte plusieurs orifices permettant le passage de la surface intérieure à la surface extérieure, les diamètres de ces orifices augmentant progressivement de l'extrémité supérieure vers 1 'extrémité inférieure. 14 - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif empêchant l'agglomération est constitué de telle sorte que le liquide de l'intérieur du récipient ou le liquide qui y est introduit soit projeté sur la surface intérieure de l'élément tournant.