Brevet FR2257327A1 — publié le 19750808

La présente invention concerne un procédé d'échange liquide-gaz à co-courant et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Certains procédés de traitement des liquides et eaux usées, par exemple le traitement des eaux par l'ozone, consistent à faire passer un gaz sous forme de bulles dans la colonne liquide à traiter, afin que les échanges chimiques se fassent entre le liquide et le gaz à la surface des bulles. La formation des bulles dans le sein du liquide accélère les processus de réactions chimiques par rapport à une simple mise en contact du liqui#de avec un gaz dans un bac de décantation, la surface d'échange liquide-gaz étant dans ce cas limitée à la surface libre du liquide. Pour augmenter la surface de contact entre le liquide et le gaz, plusieurs méthodes sont possibles: - simple bullage du gaz au fond d'un bassin ou d'une cuve, - emploi de colonnes à arrosage avec ou sans garnissage, - emploi de colonnes à dispersion fonctionnant soit en lit lache, soit en lit dense. Dans la majorité des cas, le fonctionnement des colonnes ou se trouve le liquide se fait à contre courant c 'est-à-dire que le liquide et le gaz ont des vitesses oppo- sées dans leur migration à travers la colonne. Dans certains dispositifs chimiques, on utilise l'énergie cinétique du liquide pour entraîner les bulles de gaz comme dans les trompes à eau par exemple; ce type d'appareil a un but entièrement différent, notamment d'aspirer l'air et de créer le vide dans une enceinte, et n'a pas été conçu, employé et optimisé pour favoriser les réactions chimiques entre un gaz et un liquide Dans le cas le plus simple, c'est-à-dire celui du bullage, la méthode employée présente de nombreux inconvénients: - la surface de contact entre le liquide et le gaz est très faible puisque les bulles ont une grosseur importante; il est effectivement favorable de faire un grand nombre de petites bulles afin d'augmenter la surface de contact gaz liquide par unité de volume de gaz injecté, cette augmenta tion de la surface se traduisant par un accroissement de la vitesse et de l'efficacité des processus d'échange #ntre le liquide et le gaz; - le temps de contact entre le gaz constitué par les bulles montantes et le liquide est généralement très faible en raison de la grande vitesse ascensionnelle des bulles de gaz (environ 30 cm par seconde dans le cas du couple air-eau pour des bulles de taille moyenne de l'ordre de quelques mm). Pour ces raisons, l'efficacité est faible, et pour l'accroitre, il faut augmenter le rapport volume de gaz/volume d'eau tout en diminuant la taille des bulles. De plus, lorsque cela est possible, il est avantageux de recycler le gaz et enfin d'augmenter le temps de contact entre le gaz et le liquide, c'est-à-dire s'arranger pour que la vitesse du liquide soit approximativement égale à la vitesse du gaz, de façon à ce que les échanges durent le maximum de temps. La présente invention a précisément pour objet un procédé de mise en contact à co-courant d'un liquide et d'un gaz, ayant le double vantage d'augmenter le rapport de gaz/ volume de liquide et le temps d'interaction entre le gaz et le liquide; ce procédé est d'utilisation simple consomme une énergie relativement faible, autorise de grands débits de liquide. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on projette une veine liquide sur une interface liquide-gaz ladite interface étant située au voisinage du sommet d'une tubulure sensiblement verticale T1 remplie de liquide, ce qui a pour effet de former une émulsion liquide-gaz. On fait circuler le liquide contenu dans ladite tubulure T1 à une vitesse de descente au moins égale à la vitesse ascensionnelle moyenne des bulles de gaz formées dans l'émulsion, ce qui fait que les bulles sont entrainées par le courant de liquide dans la tubulure, et on sépare le gaz et le liquide après leur passage dans la tubulure T1. La séparation gaz-liquide peut s'effectuer dans un récipient de dégazage en communication avec l'extremite inférieure de la tubulure T1. 1 Lorsqu'une veine liquide tombe dans un tube vertical partiellement rempli de liquide et ouvert à sa partie supérieure, on constate la formation d'une zone d'émulsion liquide-gaz plus ou moins homogène à l'endroit ou la veine rencontre le liquide. Si la vitesse de descente du liquide dans le tube est inférieure à celle de montée des bulles, il y a coalescence qui correspond à une phase de dégazage. Si la vitesse du liquide augmente, celle-ci dépasse celle de la montée des bulles de gaz, et il y a alors transport de bulles vers le bas avec une émulsion descendante dont le taux de vide (le taux de vide étant le rapport volume de gaz/volume total dans la colonne) est fonction de nombreux facteurs-tels que hauteur de chute, diamètre du Jet, diamètre du tube, débit liquide etc ... . Au-de-là d'une valeur critique de la vitesse du liquide, le débit de ce liquide devenant trop grand, il y a engorgement du tube. Le procédé selon l'invention permet de faire varier dans de larges proportions le taux de vide d'une façon connue et reproductible, et ainsi de contrôler les vitesses d'échange liquide-gaz. Selon l'invention, on règle la vitesse de circulation du liquide dans la tubulure T1 en faisant varier le débit de li#quide introduit en haut de la tubulure T1 et la perte de charge des tubulures d'évacuation du liquide. Selon une variante de l'invention, on recycle vers le haut de la tubulure T1 le gaz recueilli dans le récipient de dégazage afin de le recycler s'il n'a pas, lors d'une traversée, perdu toute son activité chimique de purification ou de traitement. L'invention comporte également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une tubulure sensiblement verticale T1 remplie de liquide, - des moyens pour projeter une veine liquide sur une interface liquide-gaz située au voisinage des extrémités supérieures des tubulures T1. Le dispositif selon l'invention comprend en outre au moins un récipient de dégazage relié à 1 'extrémité inférieure d'une tubulure T1. Le dispositif selon l'invention comporte au moins une tubulure T2, connectée à la partie inférieure du récipient de dégazage, éventuellement munie d'un appareil de réglage de la perte de charge. Le dispositif selon l'invention comprend au moins une canalisation T3 d'évacuation de liquide, connectée à la partie inférieure des récipients de dégazage. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un récipient V2, dans lequel pénètre l'extrémité supérieure de la tubulure T1 rempli d'un liquide, ledit liquide se déversant dans T1 par ses bords inférieurs. Selon un mode de réalisation de l'invention, le récipient V2 dans lequel pénètre l'extrémité supérieure de la 2 tubulure T1 est rempli d'un liquide de façon continue par une alimentation auxiliaire, le récipient V2 communiquant avec la tubulure T1 par une pluralité d'ouvertures percées dans les parois de ladite tubulure T1 au voisinage de sa partie supérieure. Ce dispositif d'alimentation de la tubulure T1 permet de régler le débit du liquide introduit dans ladite tubulure en ajustant le niveau de liquide dans le récipient V2 par rapport au différentes rangées d'ouvertures sur les parois latérales de ladite tubulure T1. Plus le niveau de liquide dans le récipient V2 est haut, plus d'ouvertures sont alimentées et plus la quantité de liquide introduite dans la tubulure T1 est élevée. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif est caractérisé en ce#qu'il comprend un récipient V2 dans lequel pénètre l'extrémité supérieure de la tubulure T1, ledit récipient V2 étant rempli de liquide de façon continue par une alimentation auxiliaire, en ce qu'il comporte un brise jet P1 (plaque, grille etc ..) situé dans la tubulure T1 et disposé de façon à ce-que le liquide contenu dans le récipient V2 et qui pénètre par débordement ,dans la tubulure T1 vienne frapper ledit brise-e,t P1 avant de rencontrer l'interface liquide-gaz. Le dispositif selon un mode de réalisation de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un récipient V3 relié à la base du récipient de dégazage par une tubulure T3 et une tubulure T4 reliée à la partie inférieure du récipient V3. La tubulure T4 sert à l'évacuation des liquides traités, le récipient V3 louant le rôle de vase d'expansion et fournissant un moyen de contrôle supplémentaire du débit dans la tubulure T1. Selon une variante de l'invention, le récipient V3 est fermé et comprend une vanne d'admission de gaz à sa partie supérieure. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la tubulure T4 comprend une vanne de réglage de debit de liquide. Cette vanne de réglage permet, tout comme la vanne de réglage des gaz à la partie supérieure du récipient V3, de régler le débit de liquide éliminé du circuit et d'ajuster convenablement la vitesse de descente du liquide dans la tubulure T1. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le dispositif comprend au moins un déflecteur P2 disposé entre le bas de la tubulure T1 et le fond du récipient de dégazage. Ce déflecteur permet aux bulles gazeuses entrainées dans le récipient de dégazage de s'échapper par le haut de ce récipient. (et de ne pas être entraînées dans le récipient V3). Selon un mode de réalisation du dispositif de l'invention, composé de plusieurs tubulures Tl rassémblées en un seul appareil, on a - une pluralité de tubulures T1 aboutissant à un récipient de dégazage V1, - un récipient V2 alimentant en liquide les tubulures T11 - un récipient V3, se remplissant d'eau par débordement d'une tubulure T3, reliant les récipients V1 et V3, - une tubulure de recyclage des gaz T2 reliant la partie supérieure du récipient V1 à la partie supérieure du récipient V2, - des moyens de pompage pour alimenter en liquide et en gaz le récipient V2 et évacuer le liquide contenu dans le récipient V3. Dans de nombreuses réalisations de l'invention, le liquide à traiter, injecté au haut de la tubulure T1 est de l'eau polluée et le gaz de barbotage, de l'air ozonise. Ce système est particulièrement utile et économique pour le traitement des eaux usées provenant de piscines par exemple. Pour un bon fonctionnement, il n'est pas nécessaire d'utiliser des hauteurs de chute d'eau très importantes pour que le débit soit suffisant pour correspondre à un bon échange liquide-gaz dans la tubulure T1 et surtout que la vitesse ascensionnelle des bulles soit inférieure à la vitesse de descente de la veine liquide dans la tubulure T1 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention, apparaitront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté:: - sur la figure 1, un schéma du dispositif selon l'invention dans lequel le liquide est introduit dans la tubulure T1 par des trous percés à l'extrémité supérieure de ladite tubulure faisant communiquer cette tubulure T1 avec un récipient V2, - sur les figures 2 et 3, on a représenté deux variantes du dispositif selon l'invention, - sur la figure 4, on a représenté une cuve à tubulures multiples avec dispositif de recyclage de gaz-. Le schéma du dispositif d'échange liquide-gaz co-courant de la figure 1, comprend une tubulure T1 percée d'ouvertures telles que 2 à sa partie supérieure, cette tubulure T1 plongeant dans un récipient V2. Le liquide est amené dans le récipient V2 par un système de pompage non représenté sur la figure qui envoie ledit liquide selon la flèche 4 par l'intermediaire d'une vanne 6 et d'un débitmètre 8. Ce dispositif d'alimentation plonge par une tubulure 10 dans le récipient V2, Le liquide remplissant la tubulure T1 comporte une multitude de bulles telles que 12 créées par l'impact du jet de liquide passant à travers les ouvertures telles que 2 et venant frapper l'interface liquide-gaz 14.La tubulure T1 plonge dans un récipient de dégazage V1 muni à son extrémité supérieure d'une tubulure T2 servant à libérer le gaz défléchi par la plaque P2. Cette tubulure T2 est munie d'une vanne 16 et d'un débitmètre 18. Le gaz sortant selon la flèche 20 peut être recyclé (par une canalisation non représentée) à la partie supérieure du récipient V2. La plaque de déflection P2 est située entre l'extremité inférieure de la tubulure T1 et le fond du récipient de dégazage V1; elle sert à défléchir les bulles, sortant de l'extrémité inférieure de la tubulure T11 vers le haut du récipient de dégazage V1. Une tubulure T3 relie le récipient de dégazage V au récipient V Le récipient V3 est muni d'une tubulure T4 au récipient V3. Le ré 3 permettant l'évacuation du liquide traité selon la flèche 22, et d'une vanne 24 permettant de régler la pression gazeuse dans le récipient V3. Dans une réalisation de l'inventlon, la tubulure T1 a un diamètre intérieur de 74 mm et le récipient V2 un diamètre de 200 mm. Le récipient V2 est placé concentriquement à la tubulure T1 et sert de vase d'alimentation pour la mise en charge des trous 2 de la tubulure centrale T1. La sortie du liquide par la tubulure T4 se fait par l'intermédiaire d'une garde hydraulique 25 fixe, fonctionnant par trop plein, la tubulure T3 remplissant le récipient V3. La dépression produite par l'ecoulement de l'eau dans le tube de sortie T4 est réglée par la vanne de mise à l'air 24; cette dépression variable permet d'ajuster artificiellement le niveau de sortie d'eau, donc par conséquent la hauteur de la garde hydraulique dans le récipient V3, Le fonctionnement de l'appareil est le suivant: le débit de liquide injecté par la tubulure 10 dans le récipient V2 est mesuré par le rotomètre ou débitmètre 8; le liquide emplit l'espace annulaire du récipient V2 concentrique à la tubulure T1 puis s'écoule par les trous 2 à l'intérieur du tube T1.Lorsque l'appareil est plein et-en régime établi, on règle convenablement la vanne 24 d'entrée de gaz de la garde hydraulique, on amène le niveau libre 14 du liquide dans le tube en dessous de la rangée inférieure de trous. L'émulsion se produit aussitôt avec transport de bulles vers le bas. La séparation des deux phases liquide et gazeuse se fait dans le récipient de dégazage V1 où le niveau libre de liquide est stabilisé en réglant la sortie de gaz avec la vanne 16 de la tubulure T2. Cette vanne peut être avantageusement remplacée par un pointeau à flotteur, non représenté sur cette figure, qui donne un arrêt à réglage automatique de la vanne. Le débit de liquide est ajusté a une valeur déterminée en agissant sur la vanne 24, ce qui permet de découvrir plus ou moins de trous tels que 2 dans le tube central T1. Sur la figure 2, on a représenté une variante du dispositif selon l'invention dans lequel l'alimentation de la tubulure T1 se fait par débordement du liquide contenu dans le récipient V2. Le Jet d'eau debordant de l'extrémité de la tubulure T1 vient se briser sur une plaque hori-zontale P1. Dans cette variante, le récipient V3 est à l'air, et la vanne 30 placée sur la tubulure T4 permet de régler l'écoulement du liquide s'échappant du dispositif, liquide qui a été traité dans la tubulure T1. Dans ce dispositif-, une vanne pointeau 32 règle l'ouverture d'une vanne disposée sur une tubulure reliée à la partie supérieure du récipient V1. Dans cette variante, comme dans les autres, le débit de liquide c'est-à-dire la vitesse du courant de la veine liquide parcourant la tubulure T1 est réglé de façon à ce que les bulles 12 soient entraînées par le courant du liquide; dans le schéma de la figure 2, ce réglage s'effectue par l'intermédiaire de la vanne 30. Sur la figure 3, on a représenté une autre variante du dispositif selon l'invention dans laquelle les récipients V3 et V1 sont réunis en un seul et constituent un récipient de dégazage et de régulation; dans ce système le liquide est amené par un système de pompage auxiliaire non représenté sur la figure 3, dans le récipient V2, le liquide contenu dans ce récipient s'écoule à travers les trous tels que 2 dans la tubulure principale T1. Le mélange émulsionné liquide-gaz parcourt les tubulures T1 et T3; les deux phases liquide et gaz se séparent dans le récipient unique V'3, le débit de liquide est contrôlé par l'ouverture de la vanne 30 de la tubulure T4. Sur la figure 4, on a représenté une variante du dispositif selon l'invention comprenant plusieurs tubulures telles que T1 remplies par un même récipient V2 grâce à des ouvertures telles que 2 dans la partie supérieure de ces tubulures T1. Le gaz entraîné vers l'extrémité inférieure des tubulures T1 est séparé du liquide dans le récipient V1, le gaz étant recyclé par la tubulure 2 vers l'extrémité supérieure de la tubulure T1 a l'aide des vannes 42 et44 pour s'écouler selon la flèche 46 vers l'extérieur ou selon la flèche 48 pour le recyclage. Le gaz d'épuration est introduit selon la flèche 50 vers le récipient V2. Le, mélange liquide-gaz dans les tubulures telles que T1 s'écoule selon les flèches 52.Le liquide remplissant le récipient V1 s'écoule dans le récipient V3 par l'intermédiaire de la tubulure T3, ce transbordement se faisant par débordement. La pression à l'intérieur de l'extrémité supérieure du récipient V3 est réglée par la vanne d'admission de gaz 24. Le liquide traité par le mélange gazeux s'écoule selon la flèche 54 hors du récipient V3. Dans cette variante de la figure 4, les tubulures T1 sont branchées en parallèle à 1 'intérieur du récipient unique V2 celui-ci faisant office de cuve d'alimentation. Avec une telle cuve, employant de l'air ozone pour la stérilisation d'eau de piscine, trois tubes de diamètre 500 mm et de 5 m de haut haut peuvent traiter de l'eau polluée à raison de 750 m /heure. Le dispositif selon l'invention, présente de nombreux avantages: une très grande simplicité de fonctionnement (il n'existe pas de pièces en mouvement3, une fiabilité élevée et un entretien réduit au minimum. Il ne nécessite d'autre part pas de dispositifs de bullage tels que rampes, plaques perforées, compresseurs, etc ... et son débit spécifique est important. D'autre part, le gaz utilisé peut être facilement recyclé sans dépense d'énergie. Il n'est d'autre part pas indispensable d'avoir le liquide sous pression élevée, une hauteur d'eau assez faible, quelques centimètres seulement permet un écoulement suffisant pour que la veine liquide entraîne les bulles formées à l'interface liquide-gaz. Enfin, l'emploi d'agents tensio-actifs indispensables dans les colonnes classiques à contre-courant a garnissage ou à lit dense ou tâche n'est pas nécessaire selon le procédé et le dispositif de mise en oeuvre de llinvention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en contact à co-courant d'un liquide et d'un gaz, caractérisé en ce qu'on projette une veine liquide sur une interface liquide-gaz, ladite interface étant située au voisinage du sommet d'une tubulure verticale T1 remplie de liquide, ce qui a pour effet de former une émulsion liquide-gaz, en ce qu'on fait circuler le liquide contenu dans ladite tubulure T1 à une vitesse de descente 1 au moins égale a la vitesse ascensionnelle moyenne des bulles d'air forméesdans l'émulsion, ce qui fait que les bulles sont entraînées par le courant de liquide dans la tubulure et en ce qu'on sépare le gaz et le liquide après leur passage dans la tubulure T1. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on sépare le mélange gaz-liquide dans un récipient de dégazage en communication avec l'extrémité inférieure de la tubulure T1. 3.. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle la vitesse de circulation du liquide dans la tubulure T1 en faisant varier le débit de liquide introduit en haut de la tubulure T1 etiespertes de charges des tubulures d'évacuation du liquide. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on recycle vers le haut de la tubulure T1 le gaz recueilli dans le récipient de dégazage V1. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend: -au moins une tubulure sensiblement verticale T1 remplie de liquide, - des moyens pour projeter une veine liquide sur une interface liquide-gaz située au voisinage de l'extrémité supérieure de chaque tubulure T1. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un récipient de dégazage reliés à l'extrémité inférieure des tubulures T1. 7. Dispositif selon les revendications-5 et 6, caractérisé en ce qu il comprend au moins une tubulure T2, connectée à la partie supérieure du récipient de dégazage, éventuellement munie d'un appareil de réglage de la perte de charge. 8. Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une tubulure T3 d'évacuation du liquide, connectée à la partie inférieure du récipient de dégazage. 9. Dispositif selon là revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un vase V2 dans lequel pénètre ltextremite superieure de la tubulure T1. 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient V2 dans lequel pénètre I'éxtré- mité supérieure de la tubulure T, ledit récipient V2 étant rempli d'un liquide de façon continue par une alimentation auxiliaire, le récipient V2 communiquant avec la tubulure T1 par une pluralité d'ouvertures percées dans les parois de la tubulure T1 au voisinage de sa partie supérieure. 11. Disposltirselon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient V2 dans lequel pénètre l'extré- mité supérieure de la tubulure T1, ledit récipient V2 étant rempli de liquide de façon continue par une alimentation auxiliaire et en ce qu'il comporte un brise jet P1 situé dans la tubulure T1 et disposée de façon à ce que le liquide contenu dans le récipient V2 qui pénètre par débordement dans la tubulure T1 vienne frapper ledit brise-jet P1 avait de rencontrer l'interface liquide-gaz. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à II, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient V3 relié à la base du récipient de dégazage V1 par la tubulure T3 et une tubulure T4 reliée à la partie inférieure du récipient V3. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ie récipient V3 est fermé et qu'il comprend une vanne de réglage de pression à sa partie supérieure. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne de réglage de débit de liquide sur la tubulure T4. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend un déflecteur P2 disposé entre le bas de chaque tubulure T1 et le fond du récipient de dégazage. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend: - une pluralité de tubulures T1 aboutissant à un récipient de dégazage, - un récipient V2 alimentant en liquide les tubulures - un récipient V3 se remplissant d'eau par débordement d'une tubulure T3 reliant les récipients V1 et V3, - une tubulure de recyclage des gaz T2 reliant la partie supérieure du récipient V1 à la partie supérieure du récipient V2, - des moyens de pompage pour alimenter en liquide et en gaz le récipient V2 et évacuer le liquide contenu dans le récipient V 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 16, caractérisé en ce que le liquide introduit dans la récipient V2 est de l'eau polluée et que le gaz est de l'air ozonisé.