Brevet FR2279451A1 — publié le 19760220

La présente invention concerne un dispositif pour incorporer un gaz a un liquide, notamment pour incorporer de l'oxygène au liquide se trouvant dans un bac d'activation d'une#installation de clarification. L'invention sera décrite en relation avec l'incorporation d'oxygène au liquide contenu dans des bacs d'activation, mais elle n'est en aucun cas limitée à une telle application et l'installation représentée peut être utilisée d'une façon universelle. Le moyen le plus largement utilisé pour incorporer l'oxygène de l'air au liquide se trouvant dans des bacs d'activation d'une installation de clarification consiste introduire l'air à l'aide d'un compresseur centrifuge ou d'un autre compresseur à éléments rotatifs. Les dimensions et les conditions d'écoulement dans les bacs jouent dans ce cas un rôle important. Lorsqu'on adopte une profondeur d'insufflation suffisante, on obtient alors avec ces compresseurs une aération sous forme de bulles fines; dans ce cas, les dimensions du bac et les conditions d'écoulement jouent également un rôle important. Il est également possible d'employer pour l'aération une matière poreuse; toutefois, celle-ci a tendance à donner lieu, dans le cas d'une marche intermittente, à une obstruction de ses pores et nécessite par conséquent un démontage et un nettoyage périodiques. On sait en outre qu'il est possible, au lieu d'air, d'incorporer de l'oxygène pur. Généralement, on fait intervenir deux impératifs essentiels lors d'une telle incorporation : à savoir que le gaz doit être incorporé au liquide sous la forme de bulles aussi petites que possible, d'une part et que, d'autre part, il faut veiller à ce que le temps de séjour de ces bulles dans le liquide soit aussi long que possible. Plus les bulles sont petites, plus la surface active d'échange de matière entre le gaz et le liquide est grande. Plus le temps de séjour en liquide est long, plus la quantité de gaz dissoute dans le liquide peut être grande. En outre, on peut faire intervenir un autre impératif, à savoir que l'incorporation de gaz s'effectue sous la pression la plus élevée possible, pour ainsi accélérer la mise en solution du gaz dans le liquide. Pour satisfaire aux conditions précitées, il existe de nombreuses constructions communes. Ainsi, par exemple, on a décrit dans le brevet britannique n0 1 336 372 un distributeur à buses tournant autour d'un axe vertical et qui est placé dans le liquide devant recevoir le gaz. Le gaz passe alors par l'intermediaire d'un arbre creux dans le distributeur à buses puis dans des tubes radiaux, qu'il quitte par de nombreux petits orifices. Cette structure ne permet pas d'augmenter le temps de séjour des bulles dans le liquide. Dans le brevet allemand n0 1 283 763, on décrit par contre une structure à l'aide de laquelle on peut allonger le temps de sejour des bulles de gaz dans le liquide. Ce problème est résolu en faisant écouler le liquide devant recevoir le gaz vers le bas de manière que les bulles de gaz soient maintenues longtemps dans le liquide. Le dispositif d'incorporation de gaz décrit dans ce brevet ne présente cependant qu'un rendement limité et il ne convient pas, par exemple, pour l'incorporation d'oxygène pur, car on perd alors une quantité trop impor tante d'oxygène coûteux. L'invention a pour but de fournir un dispositif d'incorporation d'un gaz à un liquide qui permette, d'une part, une incorporation du gaz sous la forme de très fines bulles et, d'autre part, un long temps de séjour des bulles de gaz dans le liquide. Un tel dispositif doit en outre réduire les pertes en gaz et permettre un recyclage du gaz non dissous. De plus, la consommation en énergie du dispositif doit rester faible. On a trouvé que, dans un dispositif d'incorporation d'un gaz à un liquide se composant d'une tête à buses tournant autour de son axe vertical et plongeant dans le liquide, de moyens d'alimentation en gaz de cette tête à buses et de tubes de sortie de gaz disposés sur ladite tête perpendiculairement à son axe de rotation, il est possible, et c'est ce qui fait l'objet de l'invention, de pallier les inconvénients précités, en prévoyant des moyens qui assurent une alimentation en gaz intermittente desdits tubes selon une fréquence déterminée par la vitesse de rotation et en prévoyant une enveloppe fixe entourant la tête à buses et les tubes de sortie de gaz. L'alimentation intermittente en gaz des tubes de sortie empêche par principe la formation de grosses bulles. Les moyens permettant d'obtenir une telle alimentation intermittente en gaz sont connus. Ainsi, par exemple, on peut installer le système d'alimentation en gaz de la tête à buses tournante dans une position-fixe, le passage du gaz vers les tubes de sortie ne s'effectuant qu'en des positions déterminées de la tête. L'enveloppe fixe qui entoure la tête à buses associée aux tubes de sortie de gaz permet d'allonger dans des proportions importantes le temps de séjour des bulles de gaz dans le liquide. L'enveloppe peut, par exemple, avoir une forme cylindrique et présenter une symétrie axiale par rapport à l'axe de rotation. Le liquide se trouvant dans le cylindre peut alors être oblige de s'écouler dans une direction qui s'oppose à la montée des bulles. Il est particulièrement avantageux que l'enveloppe cylindrique constitue une partie d'un ensemble dans lequel le liquide devant recevoir le gaz circule dans un serpentin tubulaire. Le temps de séjour des bulles de gaz dans un tel serpentin tubulaire peut être allongé pratiquement à volonté. Que l'installation comporte ou non ce serpentin tubulaire, l'enveloppe permet de capter le gaz le cas échéant non dissous et de le renvoyer dans le circuit aboutissant à la tête à buses. Le ~dispositif selon l'invention peut en outre comporter un ou plusieurs des éléments mentionnes ci-dessous. Ainsi, on peut pourvoir les tubes de sortie de gaz de moyens de limitation d'écoulement, par exemple des étranglements ou bien des tronçons tubulaires de section rétrécie. On empêche ainsi la génération de grosses bulles dans les tubes de sortie de gaz car, au moment ou une bulle se détache du tube, seule une faible quantité nouvelle de gaz est libérée en aval. Sans les moyens de limitation d'écoulement mentionnes ci-dessus, les bulles auraient tendance à augmenter de dimensions sous l'effet de l'arrivée de gaz supplémentaire. Du fait de l'alimentation intermittente en gaz, on favorise, d'autre part, le détachement des petites bulles de gaz qui se forment à l'extrémité du tube de sortie de gaz. Suivant un autre mode avantageux de réalisation de l'invention, on peut également réduire la grosseur des bulles en biseautant les orifices de sortie des tubes de gaz de manière à obtenir une section de sortie de forme elliptique. Le plan des orifices biseautés doit alors être orienté parallèlement à l'axe de rotation et les orifices de sortie doivent être orientés selon une direction opposée au sens de rotation. Il se produit alors dans la zone des orifices de sortie une dépression qui facilite le detachement des bulles même lorsqu'elles ne présentent qu'un volume limité. Au-dessus de la tête à buses, on peut placer un disque perforé au travers duquel doivent passer les bulles, ce qui contribue à leur division. On peut améliorer cette division des bulles en plaçant directement au-dessus du disque perforé un agitateur axial. Avantageusement, les moyens d'alimentation en gaz fixes amènent les gaz par le bas dans la tête à buses rotative. On peut, cependant, envisager également d'autres structures et, par exemple, l'alimentation en gaz peut s'effectuer par un alésage selon l'arbre tournant, auquel cas on doit prévoir dans la tête à buses un corps distributeur ne tournant pas avec elle afin que le gaz puisse sortir des tubes correspondants par intermittence et en fonction d'une fréquence déterminée par la vitesse de rotation. Sur la surface intérieure de l'enveloppe, on peut disposer des tôles déflectri ces destinées à empêcher la formation de trombes et à augmenter la turbu lence. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes, données à titre illustratif et non limitatif. La figure 1 est une vue latérale en perspective et en coupe partielle du dispositif selon l'invention. La figure 2 est une section droite de la tête à buses au niveau des tubes de sortie de gaz. La figure 3 montre l'incorporation d'un dispositif selon l'invention à un serpentin tubulaire. Le dispositif d'incorporation de gaz selon l'invention, représenté sur la figure 1, se compose d'une tête à buses 1 qui est pourvue de quatre tubes de sortie de gaz 2. La tête 1 est reliée rigidement à l'arbre tournant vertical 3. Le système fixe d'alimentation en gaz 4 pénètre par le bas dans la tête à buses 1 et il s'élargit dans celle-ci de maniere a former un corps distributeur 5 (figure 2). Au-dessus de la tête 1, il est prévu un disque perforé 6, qui est relié rigidement à l'enveloppe 7. Sur l'enveloppe 7, sont fixées des tôles déflectrices 8. Au-dessus du disque perforé 6, il est prévu un agitateur axial 9 qui est relié rigidement à l'arbre 3. La figure 2 est une coupe de la tête 1 au niveau is tubes de sortie de gaz 2. Dans les tubes 2, il est prévu de courts tronçons tubulaires 10 qui constituent des moyens de limitation d'écoulement. La tête à buses 1 tourne autour du distributeur fixe 5 qui est alimente en gaz. La figure 2 montre que les tubes de sortie 2 ne reçoivent du gaz que dans des positions déterminées. L'alimentation en gaz des tubes de sortie 2 s'effectue par conséquent par intermittence en fonction de la fréquence de rotation de l'arbre 3. Il est évident que cette alimentation en gaz intermit tente et fonction d'une fréquence déterminée par la vitesse de rotation de l'axe 3 pourrait également être assurée par d'autres agencements. Les orifices de sortie des tubes 2 sont situés dans des plans inclinés, de sorte que, lors de la rotation de la tête 1 dans un liquide, il s'établit une dépression dans l'orifice de sortie des tubes. Cette dépression produit un détachement rapide des bulles de gaz. Le détachement des bulles de gaz est encore amélioré par les moyens de limitation d'écoulement se trouvant dans les tubes de sortie de gaz 2, tels par exemple les tronçons tubulaires 10. En effet, lors du détachement des bulles de gaz, celles-ci ont tendance a aug menter fortement de dimensions sous l'effet des doses de gaz ultérieures. Cette augmentation de dimensions est empêchée par les moyens de limitation d'écoulement 10 prévus dans les tubes de sortie de gaz 2. Les bulles de gaz passentalors au travers du disque perforé 6 et par viennent dans la zone de l'agitateur axial 9. Sur les arêtes des lames de l'agitateur axial 9, des forces de cisaillement s'exercent sur les bulles de gaz de manière à les diviser et à les mélanger au liquide. Des tôles déflec tri ces 8 empêchent la formation de trombes et amplifient la turbulence. La figure 3 représente un serpentin tubulaire 11 qui est associé à un dispositif d'incorporation de gaz agencé selon l'invention. Le dispositif d'incorporation de gaz est entraîne par l'intermédiaire d'un groupe moto réducteur 20 et de l'arbre 3 et il fait partie d'un ensemble de tubes de serpentin 11. Il est avantageux d'utiliser de tels serpentins tubulaires pour des installations da clarification dans lesquelles on introdiit de I'oxytléne pur. L'oxygène est amené par un compresseur 12 et il pénètre par le bas dans la tête à buses. Les eaux usées pré-épurées sont amenées dans le serpentin tubulaire, par exemple à l'aide d'une pompe à vis.La vitesse d'écoulement des eaux usées est reglee de manière à obtenir un temps de séjour maximal des bulles de gaz dans le liquide. En conséquence, il est ainsi possible de réaliser une incorporation optimale d'oxygène. Cette incorporation d'oxygène est fonction entre autres de la grosseur des bulles de gaz, de leur répartition ainsi que de la vitesse de diffusion de l'oxygène dans les eaux usées. La vitesse de diffusion est elle-même fonction de la rapidité avec laquelle le contact des couches d'eau avec la surface périphérique des bulles de gaz se renouvelle. Des bulles de petit diamètre présentent une plus grande surface spécifique et une plus faible vitesse ascensionnelle. Le renouvellement du contact avec les surfaces périphériques est favorise par les fortes différences de vitesse des bulles de gaz, suivant que lesdites bulles, dans le serpentin tubulaire qui est disposé verticalement, sont entraînées dans le courant d'eaux usées dans la direction ascendante ou dans la direction dascendante. La pression partielle d'oxygène, qui est 4,7 fois supérieure à celle de l'air, fait augmenter -lorsqu'on utilise de l'oxygène pur- la vitesse de transport de l'oxygène et il en résulte un accroissement de la teneur en oxygène qu'il est possible d'obtenir dans la fraction d'eaux usées canalisées dans le serpentin. Le serpentin tubulaire est alors immergé ans une position fixe, ou bien on peut le faire déplacer dans le bac d'activation et il ne sort du plan supérieur de la masse de liquide que de la hauteur nécessaire pour produire l'écoulement. Sur la figure 3, pour simplifier, on n'a pas représenté le dispositif d'entraînement des eaux usées dans le serpentin tubulaire. L'oxygène non dissous dans les eaux usées est collecté dans un-tuyau 13 pourvu de vannes 14 et il est renvoYé au compresseur 12. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour incorporer un gaz à un liquide, se composant d'une tête à buses tournant autour de son axe vertical et immergée dans le liquide; de moyens d'alimentation en gaz de la tête à buses et de tubes de sortie de gaz disposés sur ladite tête perpendiculairement à l'axe de rotation, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens qui assurent une alimentation en gaz intermittente desdits tubes selon une fréquence déterminée par la vitesse de rotation et en ce qu'il comprend une enveloppe fixe entourant la tête à buses et les tubes de sortie de gaz. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes de sortiede gaz comprennent des moyens de limitation d'écoulement. 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les extrémités des tubes de sortie de gaz comprennent des orifices de sortie de forme elliptique, les plans des orifices étant orientés parallèlement à l'axe de rotation et les orifices de sortie étant orientés selon une direction opposée au sens de rotation. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un disque perforé fixe et horizontal est disposé légèrement audessus de la tête à buses. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caracterisé en ce qu'un agitateur axial est placé directement au-dessus du disque perforé. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'alimentation en gaz pénétrant par le bas dans la tête à buses. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe cylindrique symétrique par rapport à l'axe de rotation. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérise en ce que des tôles déflectrices sont placées sur la surface intérieure ~e l'enveloppe au-dessus du disque perforé. 9.- Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'enveloppe cylindrique fait partie d'un serpentin tubulaire#.