Brevet FR2293968A1 — publié le 19760709

La présente invention est relative à des procédé et dispositifs permettant de réaliser des évulsions, c'est-à-dire des fluides diphasiques où un liquide constitue la phase continue et 1. gaz la phase dispersé. sous forme de bulles. Dans des catégories d'industries de plus en plus variées, on cherche à appliquer les propriétés très particulières des émul- suions gaz-liquide dans lesquelles le gaz est dispersé dans le liquide sous forte de bulles extrêmaient fines dont le diamètre est de l'ordre de 1/10 de millimètres. Ces émulsions sont utilisées soit comme fluide de travail dans des machines, soit comme solen de contact entre le gaz et le liquide dans le but de réaliser des effets physico-chimiques entre les deux phases au niveau des surfaces d'échange. Les émulsions sont habstuellement formées dans des organes appelés émulseurs dont on a déjà proposé plusieurs modes de réalisation. Ces derniers consistent à insuffler le gaz dans une veine de liquide à partir de trous qui sont pratiqués soit dans les parois li litant la veine, soit dans des corps creux placés dans le coeur de la veine. Bien que, dans l'état actuel de la technique, ces trous d'inJection ne doivent pas nécessairement outre de très petite dimension,mais puissent atteindre des diamètres de l'ordre de 5 ta, les débits volutes de gaz pouvant atteindre des valeurs élevées, la parte de charge à la traversée de ces trous risque de cospro- mettre le renderent énergétique de l'opération. On a déjà proposé un dispositif dans lequel on fait passer de l'eau dans un conduit vertical formant siphon et formant un convergent à sa partie supérieure, suivi d'un divergent, le dispositif comprenant en outre un tube placé dans l'axe du conduit et par lequel on introduit par aspiration de l'air dans la veine liquide au-dessus du convergent. Le mélange d'air et d'eau formé à la sortie du tube d'entrée d'air subit, dans le convergent, une détente avec accélération du mélange. Le gradient de pression résultant de cette détente est tel que les forces de pression agissant sur les bulles de gaz les divisent jusqu'à des dimensions très petites. Ce processus de division des vésicules gazeux ne s'arrose que lorsque les bulles gazeuses forais sont de suffisamment peti tes dimensions pour que les forces capillaires fassent équilibre aux forces de pression. L'émulsion est alors obtenue. Le divergent placé en aval sert à ralentir l'émulsion formée pour diminuer les pertes de charge. Ce dispositif permet d'échapper à toute limitation du diamètre de ltorifice d'entrée d'air, mais il est limité à des pertes de charges faibles et à des débits peu importants, notamment le débit d'air. De plus, des fractions de vide importantes (par exemple supérieures à o,8) ne peuvent pas Entre obtenues. Le procédé et les dispositifs selon l'invention permettent d'échapper à ces limitations et d'obtenir des débits très importants d'émulsions très fines et, notamment, des émulsions où la proportion de phase liquide est très faible en volume, et ayant par exemple des surfaces de contact liquide-gaz de l'ordre de 100 m/kg. Le procédé selon l'invention consiste à créer un mélange gaz-liquide où la phaseliquide est dispersée en fragments grossiers, puis à introduire ce mélange dans un conduit convergent. De préférence, le mélange gaz-liquide est obtenu en envoyant un jet de liquide sur une paroi solide sous un angle et avec une vitesse tels qu'il ricoche sur cette paroi et se fragmente en une dispersion de fragments liquides, relativement fine, cette dernière expression étant définie ci-après. Un jet de gaz est envoyé sur la dispersion ainsi formée et le gaz vient occuper l'espace autour des fragments liquides. On peut aussi supprimer la paroi solide et obtenir la dispersion des fragments liquides en faisant se rencontrer deux ou plusieurs jets de liquides sDus un angle et à une vitesse convenables. De toute façon la dispersion est formée de fragments de liquides de forme irrégulière, et sur lesquels les forces de capillarité n'ont pas encore eu le temps d'agir pour les transformer en goutelettes de forme plus ou moins arrondie. Dans l'entrée du convergent, il est diffiale de décrire quel peut entre l'état de la matière et si l'une ou l'autre des phases, liquide ou gazeuse, est continue, mais les surfaces de contact n'ont pas encore pris une forme sphérique, il s'agit donc dtun état dont la transformation est peu conteuse en énergie. Quoiqu'on ait parlé pus haut de "dispersion fine", il convient de noter que la taille des particules liquides est, normalement, très supérieure à celle des bulles de l'émulsion obtenue finalement, et qui ont un diamètre de l'ordre de la centaine de microns. Ce procédé permet d'obtenir un rapport du volume de gaz au volume de l'émulsion allant d'une valeur aussi faible que l'on veut jusqu'à des valeurs élevées de l'ordre de 0,9. La vitesse du liquide à l'entrée peut être basse (à partir de lm/s) et un gradient de pression dans l'émulseur de 0,5 bar/ mètre est suffisante pour former une émulsion stable. Les débits d'eau susceptibles d'être mis en émulsion, peuvent aller depuis une fraction de litre par seconde jusqu'à plusieurs centaines de litres. L'invention a également pour objet des dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus spécifié, lesdits dispositifs comprenant - une arrivée de gaz - une arrivée de liquide inclinée, par rapport à une paroi située dans la continuité de l'arrivée de gaz, d'un angle tel que le jets'y brise et ricoche en formant une dispersion déjà relativement fine, et le jet de liquide incident ayant des dimensions telles, par rapport aux dimensions de la conduite d'arrivée de gaz, que le gaz puisse atteindre librement la zone où le liquide parvient après avoir ricoché. - une zone de mélange gaz-liquide - un conduit convergent où le mélange se détend et oï le gradient de pression qui en résulte transformera ce mélange en émul- sion fine. Les figures annexes permettront d'illustrer l'invention sans aucunement la limiter. Fig. 1 représente une coupe longitudinale théorique d'un émulseur selon l'invention. Fig. 2 et 3 représentent des coupes transversales selon 5 et BB du même émulseur. Fig. 4 et 5 représentent des coupes longitudinales théoriques de deux autres modes de réalisation de l'émulseur. Les figures 1,2 et 3 représentent un émulseur 1 comprenant une arrivée de gaz 2, une arrivée de liquide 5 à émulsionner traversant dans une zone 4 l'arrivée de gaz en laissant autour du jet de liquide 5 une place suffisante pour le passage du gaz. Le jet de liquide ricoche sur la surface 6 et se fragmente dans la partie 7 où le gaz vient l'émulsionner grossièrement, puis le mélange ainsi formé se détend dans la tuyère 8. Les figures 4 et 5 montrent deux autres types de réalisation d'un émulseur suivant le même procédé, la différence avec le précédent résidant dans la symétrie de l'émulseur, réalisant ainsi un émulseur double, avec arrivée centrale de liquide (figure 4) ou de gaz (figure 5). On remarquera que dans le cas de la figure 5, le jet liquide ne traverse pas la veine gazeuse avant de rebondir sur la paroi, ce qui présente un léger gain sur les pertes de charge. Dans le dispositif représenté sur la figure 6, deux jets de liquide 3,5' se brisent obliquement l'un contre l'autre, au milieu du jet de gaz central 2; la surface 6, qui, dans les autres exemples, reçoit l'impact du jet de liquide, est ainsi supprimée. A titre d'exemple, dans un dispositif du type de la figure 2 1, la section de passage du conduit d'amenée d'air était de Il cm celui d'amenée d'eau variait entre 1,5 cm2 et 6 cm2, la section de sortie de la tuyère variait entre 4 et 7 cm2, la valeur de l'angle a entre les deux jets était de 25 Les débits d'air variaient entre 10 l/s et 50 l/s les débits d'eau entre 1 et 4 1/s, sous une pression variant entre 50 mb, et 400mb, la fraction de vide de l'émulsion variait alors entre 0,5 et 0,95, avec des bulles de diamètre de l'ordre du 1/10 mm. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser une émulsion, notamment une ésul- sion où la proportion de phase liquide est faible en volume, dans lequel on introduit ensemble du liquide et du gaz à l'entrée d'un convergent, caractérisé en ce que le liquide et le gaz sont introduits dans le convergent sous la forme d'un mélange où la phase liquide est dispersée en fragments de forme irrégulière. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange est obtenu en brisant un jet de liquide sur une surface solide, et en envoyant du gaz dans la région où le jet de liquide se brise. 3. Procédé selon la revenaication 1, caractérisé en ce que le mélange est obtenu en envoyant au moins deux jets de liquide se briser l'un sur l'autre et en envoyant du gaz sur la région où les jets de liquide se brisent. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, et comprenant une arrivée de liquide, une arrivée de gaz et un conduit convergent placé dans le prolongement de 1 'ar- rivée de gaz, et destiné à entre traversé par le mélange de liquide et de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend aussi une paroi solide, située dans le prolongement de l'arrivie du liquide et disposée de telle sorte que le jet de liquide 8y brise et ricoche en formant une dispersion relativement fine, qui est ensuite mélangée avec le jet de gaz et entratnée par lui dans le convergent. 5.-Dispositif selon la revendication 4; caractérisé en ce que l'arrivée de liquide est disposée parallèlement à l'arrivée de gaz, si bien que ké jet de liquide ne traverse pas le jet de gaz avant d'atteindre la paroi. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, et comprenant au moins deux arrivées de liquide, une arrivée de gaz et un conduit convergent placé dans le prolongement de l'arrivée de gaz, et destiné à être traversé par le mélange de liquide et de gaz, caractérisé en ce que les arrivées de liquide sont disposées de manière à former des jets dirigés sensiblement vers un même point situé dans le jet de gaz, si bien qu'ils s'y brisent les uns sur les autres et que la dispersion qui en résulte est entratnée vers le convergent par le jet de gaz.