Brevet FR2451771A1 — publié le 19801017

La présente invention concerne un procédé de saturation d'un liquide par un gaz, par exemple d'une eau basique par le dioxyde de carbone. La neutralisation des liqueurs alcalines (notamment les effluents de lavage de canalisations ou des récipients à usage alimentaire, les eaux résiduaires provenant de 1'industrie du béton, etc.) pose des problèmes du point de vue de la nature des acides employés, des sels résultant de la neutralisation et de l'aJustement du pH. En ce qui concerne les acides employés, les acides forts comme l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide nitrique, présentent des inconvénients graves quant à lthygiène du personnel et la résistance à la corrosion du matériel. Les sels produits par les acides forts sont généralement indésirables du fait qu'ils peuvent, par des combinaisons diverses, donner naissance à des produits nocifs ou du fait qu'ils entrassent des phénomènes d'eutrophisation des réceptacis naturels. Bes acides forts présentent des courbes de neutralisation très abruptes, ctest-à-dire que de part et d'autre de la neutralité le pH peut varier dans une très large plage pour une très faible addition d'acide. Il peut en résulter une chute très importante de pH entratnant des rejets acides. Par contre, le dioxyde de carbone ne présente pas ces inconvénients, il n T est pas corrosif, ses sels sont inofrensifs, sa courbe de neutralisation présente une pente très douce et ne descend pas au-dessous du pH 6. En outre, sa forme gazeuse permet de l'utiliser de façon souple et efficaee. Par conséquent, le but de l'inventione est de réaliser un dispositif permettant de mettre en solution un gaz, par exemple de mettre en solution aqueuse le dioxyde de carbone CO2, de façon à obtenir in situ de l'acide carbonique - corps instable - de formule H2CO3 avec un rendement de l'ordre de 100%. Un tel rendement ne peut être obtenu par injection pure et simple, tout excès de dioxyde de carbone s'échappant sous forme de bulles non dissoutes au détriment du rendement. I1 faut que tout le gaz introduit se retrouve pendant un court instant, à ltétat dissous, de façon à se transformer en acide carbonique qui est consommé dans laSicHan de neutralisation.Les réactions sont 'es suivantes : Selon la présente invention, on n'introduit pas le gaz dans le liquide, mais au contraire on introduit le liquide dans le gaz, afin que le liquide puisse absorber la quantité de gaz nécessaire, la limite étant le coe ffl cient de solubilité du gaz dans le liquide, ce coefficient pouvant être ajusté tpour une température donnée) en faisant varier la pression du gaz en contact avec le liquide. En effet, selon la loi de Henry, à température constante, la pression partielle d'un gaz est proportionnelle à la concentration de saturation du gaz dans la phase liquide. On peut donc écrire : p = Kc.Mais le coefficient K varie avec la température et, de ce fait, la solubilité diminue si la tempErature augmente. En outre, pour que cette loi se vérifie il faut assurer un très bon contact entre le liquide et 19 gaz, ce qui est réalisé selon la présente invention grtce à une très grande surface d'échange constituée par un film liquide en contact avee le gaz sur chacune de ses faces. Si l'on veut obtenir une faible pression variable, ctest-à-dire si on veut obtenir une concentration peu élévée en dioxyde de carbone, qui par conséquent neutralisera un effluent peu basique, on utilise une enceinte dans laquelle la pression du gaz est lOgèrement supérieure à la pression atmosphérique, sa plage de variation étant limitée par la hauteur du liquide contenu dans ltenceinte. En faisant varier les pressions, on peut faire varier légèrement-le niveau du liquide dans l'enceinte et obtenir ainsi une surface plus ou moins grande de film liquide, ce qui permet de faire varier la quantité de dioxyde de carbone introduite.Dans ce mode de réalisation, l'absence de pression élevée permet d'utiliser une cloche transparente rendant le niveau de liquide directement perceptible. Un autre mode de réalisation que lton peut appliquer aux solutions très coneentrées permet de travailler à pression plus élevée, la surface du film liquide étant touJours portée à son maximum. Pour faire varier la quantité du dioxyde de carbone introduite, il suffit de faire varier la pression. Selon la présente invention, le dioxyde de carbone absorbé dans l'eau réagit avec la base contenue dans celle-ci au fur et à mesure qu'elle se présente et en quantité juste nécessaire. Pour éviter tout excès de dioxyde de carbone dissous (la limite supérieure de dissolution étant fixée par la loi de Henry) on peut dans les deux modes de réalisation effectuer une régulation de pression en fonction du pH d'entrée et du pH de sortie à obtenir. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention, la saturation étant effectuée à pression sensiblement atmosphérique. La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention, la saturation étant effectuée sous pression. Sur la figure 1, on voit que le dispositif selon la présente invention comprend un saturateur 6 à plateaux 7 et 8 respectivement placés de façon concave/convexe, un circuit dtalimentation et d'évacuation de l'effluent et un circuit d'alimentation de gaz. Le saturateur ó à plateaux est constitué d'une enceinte cylindrique verticale 9 munie dtun tube axial 10 d'arrivée d'effluent, ce tube axial 10 étant équipé de plateaux coniques 7, 8 dont la disposition alternée convesgconcave engendre un film d'écoulement 11 à très large surface d'échange avec le gaz remplissant ltenceinte. intérieur limité par deux plateaux consécutifs et le film de liquide est mis en communication avec ltespaae voisin par des tubulures 61 permettant au gaz de circuler. La pente des plateaux coniques, leur diamètre et leur nombre sont déterminés de façon qu'en sortie du dernier plateau l'appareil fonctionne à son débit nominal (c'est-à-dire le débit d'effluent maximum assurant un écoulement correct sur les plateaux du saturateur) et avec de Liteau neutre, celle-ci étant saturée en dioxyde de carbone à la température et à la pression de passage dans le saturateur. Par exemple, pour de l'eau neutre à + 20 C et pour une pression de 1,1 bar absolu, l'apport de dioxyde de carbone est de 1,99 g/l. Dans les mêmes conditions, pour un effluent basique l'apport en dioxyde de carbone sera accru car le dioxyde de carbone ayant une cinétique de réaction supérieure à celle de sa dissolution, il aura tendance à être consommé au fur et à mesure. Ainsi, ltécart moyen entre le taux de saturation et le taux de dioxyde de carbone erfectivement dissous se trouvera augmenté, de même que la capacité de dissolution. Par conséquent, le système à plateaux a deux propriétés intéressantes. ll assure un apport de dioxyde de carbone pratiquement constant par litre de liquide,aixs que le débit de celui-ei peut varier dans un rapport de 1 à 5. Dans ces limites, qui répondent à la maJorité des cas rencontrés, les variations de débit n'imposent donc aucune rébulation. D'autre part, le système à plateaux est équipé d'un déversoir de sortie 18 qui permet un réglage extrêmement simple de la surface d'échange donc de la quantité de dioxyde de carbone dissous. Le réglage de la surface d'échange peut être manuelle car si le pH d'entrée est constant, il suffit de régler au départ la surface d'échange pour obtenir le pH souhaité à la sortie. Celui-ci restera stable et aucune régulation ne sera nécessaire. Si le pH d'entrée varie, on peut automatiser le réglage pour obtenir un pH de sortie constant, quelles que soient les variations du pH d'entrée et les variations du débit. Après passage sur les pla teaux du saturateur, lteffluent est recueilli dans le fond de l'enceinte, son temps de séJour permettant l'achèvement de la neutralisation avant évacuation.L'enceinte comporte à sa partie inférieure une valve de purge 25. Ltalimentation de lteffluent se dirigeant selon la flèche 60, est assurée par la pompe 3 qui peut travailler soit en charge soit en puisage. Le débit est réglable, par la vanne 4, à toute les valeurs comprises entre 1/5 D et D, D étant le débit nominal, ltindicateur 5 permettant le contrôle du débit. La température est contrôlée par le thermomètre 52. Après passage sur les plateaux du saturateur et séJour dans le fond de ltenceinte, lleffluent est évacué par le déversoir 18. Le saturateur 6 comporte un niveau 20.L'association du saturateur 6 à plateaux et du déversoir 18 permet de régler de fanon extrtmement simple et sûre l'apport de C02 dissous. Pour cela, il suffit en effet de faire varier le nombre des plateaux en service, ce qu'on obtient de la manière suivante : à pression effective de dioxyde de carbone nulle dans ltenceinte, le niveau de lteffluent dans celle-ci s'établit, suivant le principe des vases communieants, à la hauteur de ltorifié de sortie du déversoir 18, ctest-à-dire au niveau N1. Dans ce cas, seul le plateau supérieur demeure en service, tous les autres étant immergEs. Au fur et à mesure que lton augmente la pression de dioxyde de carbone dans l'enceinte, le niveau d'effluent baissera à raison de 1 cm/mbar de pression supplémentaire (mesuré par le niveau 20). On découvrira ainsi le nombre de plateaux désirés Jusqu'au niveau N2 par simple réglage du détendeur 12. En sortie du déversoir, le pH ainsi que la température sont mesurés par la sonde 19 et le pH est enregistré par ltenregistreur 27. Dans le cas où le pH de ltentrée varie et impose une régulation de l'apport de dioxyde de carbone, à partir de l'information de la sonde 19, l'amplificateur 25, par l'intermédiaire du transmetteur 26, agit sur la membrane du détendeur 12, pour régler la pression dans L'enceinte du saturateur afin d'ajuster la surface d'échange.La consommation en dioxyde de carbone des instalations de neutralisation d'effluents justifie en règle générale un approvisionnement en vrac, donc la mise en place d'un réservoir de stockage "basse pression't13. Dans ce réservoir 13, le dioxyde de carbone liquide est maintenu à une température de -20 C par le groupe frigorifique 14. Le dioxyde de carbone liquide soutiré dans le réservoir 13 est vaporisé par le vaporiseur 15 de dioxyde de carbone liquide et détendu par le détendeur moyenne pression 16, à une pression de l'ordre de 5 bars. Le circuit de dioxyde de carbone du groupe de saturation est donc alimente à cette pression. I1 comprend d'amont en aval un filtre 17, un robinet 20, un détendeur 21 ramenant la pression de 5 à 1 bar, un manomètre de contre 22 et un détendeur 12 permettant de régler le niveau d'effluent dans le saturateur, dono de rdgler l'apport de dioxyde de carbone pratiquement depuis O Jusqu'à la valeur en g/l correspondant à la saturation. La figure 2 représente un dispositifs selon la présente invention travaillant à haute pression. Le saturateur à film liquide fonctionnant sous pression comprend : une enceinte 9, un SyStème d'alimentation et d'évacuation de liquide, un système d'alimentation de gaz, une armoire de commande et de régulation 37. L'enceinte 9, entièrement enacier inoxydable se compose des éléments suivants : une cuve inférieure ga, une cloche supérieure 9b, un ensemble de plateaux coniques 7, 8 alternativement orientés vers le haut et vers le bas, l'espace intérieur limité par deux plateaux consecutifs et le film de liquide étant mis en communication avec ltespace voisin par des tubulures 61 permettant au gaz de circuler. L'ensemble de plateaux est traversé par un tube central 10. L'enceinte 9 comprend un robinet de purge 23. Le système dlali- mentation et d'évacuation de liquide , comprend une pompe 3 qui alimente le liquide à triter, par exemple à partir d'un réacteur 51; la pompe 3 envoyant ce liquide à la partie supérieure du tube central, le liquide retombe sous forme de film 11 sur les plateaux successifs jusque dans la cuve inférieure. Cette cuve comporte un contrtleur de niveau 28 qui commande l'évacuation du liquide. A niveau bas, il ferme la vanne pneumatique 29 commandée par 1'électrovanne à trois votes 50. A niveau haut, il ouvre cette vanne. A niveau très haut, il arr8te la pompe 3.Le débit d'évacuation peut être ajusté sur celui de l'alimentation par réglage du robinet 31. En outre, le circuit d'alimentation en liquide est équipé d'une vanne 4 de réglage de débit, dssun débinètre 5, d'un manomètre 32 indiquant la pression régnant dans llenceinte du saturateur, d'un clapet anti-retour 33, d'un manomètre 54 indiquant la pression d'alimentation de la pompe, d'un robinet 55 de prise d'échantillons, d'un pressostat 56 arr8tant la pompe à pression anormalement élevée dans l'enceinte du saturateur, d'un pressostat 58 arrêtant la pompe si celle-ci n'est pas suffisamment en charge. Le système d'alimentation de gaz est destiné à fournir le gaz à la pression voulue dans l'enceinte et comprend un détendeur final 39, un robinet d'arrêt 40, un manomètre 41, un clapet anti-retour 42, un compteur t), un pressostat 45 commandant ltouverture de l'*lectrovanne 46 en cas de dépression dans l'enceinte par suite d'une alimentatbn en gaz insuffisante par rapport à la demande et provoquant ainsi une mise d l'air. Une soupape 49 évite une surpression anormale e un robinet 50 permet de purger d la première mise en route. REVENDICATIONS 1.- Procédé de saturation d'un liquide par un gaz, caractérisé par le fait qu'on met en contact avec le gaz chacune des faces d'un film dudit liquide. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on règle la quantité de gaz dissous dans ledit liquide en réglant la surface dudit film. ).- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on règle la surface dudit film en réglant la pression dudit gaz en contact avec le liquide. 4.- Procédé selon la revendication ), caractérisé par le fait qu'on règie en outre la quantité de gaz dissoute dans ledit liquide en réglant la température dudit liquide. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la pression dudit gaz avec le liquide est légèrement supérieure à la pression atmosphérique. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la pression dudit gaz en contaet avec le liquide est très supérieure à la pression atmosphG rique. 7.- Procédé selon la revendication ), caractérisé par le fait que la pression dudit gaz en contact avec le liquide est réglée en fonction du pH d'entrée et du pH de sortie dudit liquide à obtenir. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit gaz est-du dioxyde de carbone et ledit liquide est un effluent basique a neutraliser. 9.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procddé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la mise en contact du film du liquide avec le gaz est effectuée dans un saturateur à plateaux constitué dtun enceinte cylindrique verticale munie d'un tube axial d'arrivée d'effluent, lequel comporte des plateaux coniques de disposition alternée convexe/concave, provoquant un film d'écoulement de liquide à très large surface d'échange avec le gaz remplissant l'enceinte, lispace intérieur limité par deux plateaux consécutifs et le film de liquide étant mis en communication avec ltespace voisin par des tubulures permettant au gaz de circuler. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait outil comporte un circuit d'alimentation et d'évacuation dudit liquide, ledit circuit étant muni d'un déversoir permettant l'augmentation de la surface de liquide exposée audit gaz dans le saturateur à plateaux. 11.- Dispositif selon la revendication g ou 10, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit d'alimentation en gaz muni d'un détendeur permettant d'augmenter la pression dudit gaz dans ledit saturateur. 12.- Dispositif selon les revendications 9 et 11, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit d'alimentation et d'évacuation dudit liquide muni d'un régulateur ouvrant ou fermant une vanne pneumatique commandée par une électrovanne trois votes.