Brevet FR2473351A1 — publié le 19810717

La présente invention concerne un dispositif destiné à réaliser l'in- troductionde gaz dansunernasse liquide, àune certaine profondeur, per- mettant de diffuser un gaz quelconque: air, oxygène, méthane, etc.., dans un liqui- de, en obtenant simultanémentun effet de brassage et d'homogénéisation. Ce dispositif est utilisable plus particulièrementdans les installations de traitement des eaux usées au moyen de boues activées, mais s'applique également à toute installation nécessitant une diffusion de gaz dans un liqui- de àune certaine profondeur. De tels dispositifs immergés dansun liquide ont déjà été décrits, en particulier pourla diffusion d'air dans les bassins de traitement des eaux par les boues activées, qui consistent en des dispositifs alimentés en air au moyen d'une tuyauterie véhiculantde l'air prélevé àltatmosphère et re- foulé par un compresseur et libérant cet air dans le liquide en bulles plus ou moins fines. Ces appareils doivent concilier un rendement de transfert élevé, clest-à-dire qui transfère au liquides sous forme di ssoute, un pour- centage maximal de gaz insufflé, avec une capacité de brassage suffisante pour obtenir une bonne homogénéisationde la masse liquide et éventuelle- ment le maintien en suspension des matières solides, point très important dans le cas de boues activées par exemple; par ailleurs la consommation d'énergie doit être minimale. Le moyen connu d'introduction de gaz dans un liquide le plus simple est constitué par une tuyauterie immergée horizontale, alimentée en gaz, air par exemple, et le libérant dans le liquide par des orifices calibrés régulièrement espacés le long d'une des génératrices du tuyau. Les bulles libérées en montant vers la surface, cèdent au milieu une partie de leurs constituants, oxygène par exemple, et créent une mise en circulation de la masse liquide par l'effet ascensionnel des zones émulsifiées de faible den- sité. Ce dispositif présente l'inconvénient d'avoir un rendement énergéti- que de transfert faible et de n'effectuer qu'un brassage insuffisant en parti- culier des zones de fond de bassin, quand les besoins en gaz sont faibles et n'imposent qu'un débitde gaz réduit. Un autre dispositif a déjà été décrit, quipermet d'améliorer le -2brassage sans augmentationdu débit de gaz; il consiste en untube vertical, ouvert aux deux extrémités, destiné à. canaliser le gaz insufflé, faisant ain- si office de pompe à émulsion et assurant un débit de transit important. La reprise et la recirculation des couches basses du liquide dans la masse sontdonc mieux assurées que par le dispositifprécédemmentdécrit, pour un même débit d'air ou de gaz. Mais le rendement de transfert n'est pas meilleur: en effet, l'amélioration du transfert de gaz, tel qu'oxygène, da àla forte turbulence dans le tube, est annulée par la réduction du temps de séjour des bulles de gaz quiatteignent plus vite la surfacelibre du liquide. Un troisième type de dispositif a également été décrit qui consiste enun tube formant émulseur muni intérieurement de chicanes de formes diverses destinées à favoriser lesturbulences et à créer uneperte de charge pour aug- menter le temps de séjour des bulles. Le transfer.tde gaz, tel qu'oxygène, est ainsi amélioré mais ce dispositifprésentel'inconvénient de freiner. 1'é- coulementdans le tube et réduit donc lespossibilités de pompage etdebrassage. La présente invention pallie ces inconvénients et permet d'améliorer sensiblementle transfert gazeux, donc le rendement énergétique tout en conservant un débit de pompage élevé. Le dispositif d'introduction de gaz dans un liquide suivantl'invention est caractérisé en ce qu'il est constitué par un tube émulseur immergé dans le liquide, disposé verticalement au-dessus d'une arrivée de gaz, l'ouverture supérieure de ce tube émulseur étantorientée de telle sorte ou munie de moyens tels, que ie fluxascendant d'émulsion gaz-liquide dans le tube soitdévié et à la limite inversé, à sa sortie du tube émulseur. Dans une disposition préférée de l'invention l'ouverture du tube émulseur est surmontée d'une cloche de diamètre supérieur à celui du tube, l'extrémité du tube émulseur pénétrant à l'intérieur de la cloche d'une hauteur h inférieure àla profondeur de la cloche et fonction du débit de pompage souhaité. Dans une disposition simplifiée del'invention, le tube émulseur présente à sa partie supérieure, au moins un coude dont l'ouverture est dirigée versle bas. Les divers caractéristique s et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de quelques-unes de ses formes possibles de réalisa- tion. Il est bien précisé qu'il s'agit uniquement d'exemples et que toutes autres -3- formes, proportions et dispositions pourraient être adoptées sans sortir du cadre de l'invention. Au cours de cette description, on se réfère aux dessins ci-joints qui montrent: Fig. 1 une vue partielle schématique en coupe d'un bassin de traitement d'eaux équipé de deux dispositifs suivant l'invention; Fig. 2 et 3 des vues schématiques partielles, respectivement encoupe et en plan, d'un système de fixation de la cloche sur le tube émulseur; Fig. 4 et 5 des vues, analogues aux fig. 2 et 3, d'un autre système de fixation dela cloche sur le tube émulseur; Fig. 6 et 7 des vues, analogues aux fig. 2 et 3, montrantun système réglable de cette fixation; Fig. 8 une vue, également partielle et schématique, d'un autre systè- me, réglable enfonctionnement, de cette fixation; Fig. 9 et 10, des vues, analogues auxfig. 2 et 3, d'un autre système, également réglable en fonctionnement, de cette fixation; Fig. 11 et 12 des vues respectivement encoupe etenplan d'une disposi- tion simplifiée du dispositif suivant l'invention. Un dispositif suivant l'invention consiste en un tube diffuseur 1, ouvertà chaque extrémité, et dontl'ouverture supérieure est surmontée d'une cloche Z. Ce tube, fonctionnant en émulseur, est disposé verticalement au-dessus d'orifices 3 percésdans la tuyauterie d'amenée de gaz 4. Cette tuyauterie d'amenée de gaz, placée à proximité du fond du bassin 5, estsoutenuepar les supports 6 du tube émulseur, eux-mêmes largement ajourés pour ne pas freiner le débit liquide entrant. Les orifices 3 percés dans la tuyauterie généralement à la génératrice inférieurede celle-ci, sont calibrés pour assurer une perte de charge desti- née à réaliser une équirépartitiondu débit de gaz entrelestubesdiffuseurs émulseurs, dans le cas d'une pluralité de ces tubes. Le gaz libéré par les orifices est canalisé dans le tube émulseurpar le courantde liquide. Après transit dans le tube I dans lequel l'effetde pompe à émulsion développe l'é- nergie hydraulique nécessaire à l'inversion de flux postérieure, l'émulsion liquide-gaz pénètre dans la cloche 2. Cette cloche peut se présenter sous des formes diverses suivant les matériauxutilisés: cylindre à fond plat pour une fabrication en métal ou en béton armé; arrondie avec fond à section ellipsoidale ou sphéroidale pour une fabrication en matière plastique rigide par exemple. La cloche a un diamètre de 1, 5 à 2 fois celui du tube émulseur; ce -4dernierpénètre dans la cloche d'une hauteur hréglée entre 0 et 1/20 de la hauteur totale du tube; la profondeur p de la cloche est telle quep - h est de l'ordre de la moitié du diamètre du tube. Dans la cloche l'émulsion est mise en forte turbulence et ressort en entrafnantlesbulles versle bas à unevitesse de 1 m/seconde environ. La cloche estfixée sur le tube par tous moyens ou systèmes quelcon- ques convenables. Dans l'exemple traité aux Fig. 2 et 3, la cloche est fixée à la face ex- terne du tube émulseur par des ailettes radiales 7 solidaires du tube ou de la cloche, ou fixées les unes sur la cloche, lesautres surla face externe du tube, la disposition et la forme des ailettes étant variables. Par exemple, les ailettes ont avantageusement une forme enhélice avec une inclinaisonde 0 à 45 o sur la verticale et sont disposées entièrement àl'intérieur de la cloche ou en partie à l'extérieur, de façon à créer un effet de rotationde la masse liquide* lequel augmente lalongueurdutrajet et donc le temps de séjour des bulles de gaz dans le liquide. Le fonddela cloche est avantageusement percé d'orifices permettant une fuite de gaz dans le liquide au-dessus de la cloche, un système de dé- flecteurs assurant la répartition du gaz. Pour permettre le réglage de l'enfoncement de la cloche surle tube, on peutavantageusement faire appel à un système tel que celui représenté à titre d'exemple sur les fig. 4 et 5. Dans ce système, le tube, sur sa paroi externe, et la cloche sur sa paroi interne, portent des ailettes radiales 8, régulièrement réparties sur la circonférence du dispositif et comportant chacune une lumière 9, dans laquelle se déplace un système de fixation 10 assurant le blocagel'une surl'autre d'une ailette portée par le tube et d'une ailette portée par la cloche. On peutégalement faire appel àun système du genre de celui représen- té, également à titre d'exemple, surlesfig. 6 et 7, dans lequel une ailette 11 que comporte letube (ou la cloche) est encastrée entredeux ailettes 12, 12a, que présente la cloche (ou le tube). Cependant, si l'on veut opérer, en fonctionnement du dispositif, l'enfoncement h de la cloche sur le tube, on peutavoir recours à un système tel que celui représenté à la fig. 8. La cloche 2 est reliée, par une attache rigide, ou articulée, à une tige de commande 13 manoeuvrée à partir d'unepasserelle 14. L'extrémité supérieure 13a filetée de la tige passe dans unétrier 15 sur lequel sont pré- vus des écrous de'réglage 16 et de blocage 17, dans lesquels se déplace la tige 13. Cette dernière traverse la passerelle 14 par un fourreau 18, éven- tuellementmuni de moyens d'étanchéité. Dans l'exemple qui vient d'être traité, la cloche est mobile. On peutcependant laisser la cloche fixe, mais régler toutde même son enfoncement sur le tube, au moyen d'une jupe 19, que l'on fait comporter àla cloche etquiest supportée par des pattes 20 reliées par dessuspentes 21 àune tige de manoeuvre telle que celle venantd'être décrite à propos de la fig. 8. Si, comme on l'a exposé plus haut, la cloche peut être en différentes matières ou matériaux, le tube émulseur lui-même peut être endifférents matériaux: acier protégé, acier inoxydable, béton, matière plastique; ce matériau est éventuellement différent de celui de la cloche, en particulier pour les gros appareils. Dans le cas oh l'onne recherche pas un rendement énergétique maximal, on peututiliser la disposition de l'inventiontelle que représentée par les fi- gures 11 et 12. Dans cette disposition, le tube 1 présente à sa partie supé- rieure un coude 22 dont l'ouverture est dirigée vers le bas. Le dispositif suivant l'invention permet une amélioration sensible du transfert gazeux, donc du rendement énergétique, tout en conservant un débit de pompage élevé. En effet, la cloche surmontantle tube émulseur entraîne une inversionde sens du flux de l'émulsionà sa sortie du tube: le flux de l'émulsion sort de la cloche verticalement vers le bas à une vitesse de l'or- dre de 1 m/seconde et entrafne les bulles de gaz qui redescendent et passent par unevitesse nulle avant de reprendreleur montée versla surface, - alors que dans les dispositifs connus, le flux de l'émulsion sortdutube émulseur verticalement versle haut àune vitesse de l'ordre de 2m/seconde pour un tube émulseur classique, et de 0, 7 m/seconde pour un tube à chicanes. Il y a donc, grâce au dispositif suivant l'invention, aussi bien en raison de la trajectoire des bulles que de la durée des échanges, amélioration nette du transfert gazeux. D'autre part, une forte turbulence est réalisée dans la cloche. -6- Enfin, les bulles de gaz sont réparties sur une plus grande surface horizontale et de ce fait mieux dispersées dans la masse liquide que dans les appareils connus danslesquels elles montaient entorche àleur sortie du tubeémulseur, d'o une limitationdes. phénomènes de coalescence, néfastes en l'occurence. Le trajet imposé aux bulles de gaz par la cloche surmontant le tube émulseur augmente sensiblement le temps de séjour du gaz dans le liquide, principalement dans les zones profondes et entratne une nette augmentation du transfert gazeux, de l'ordre de 20 % supérieur au transfert obtenu dans les appareils classiques. La meilleure répartition des bulles.de gaz dans le liquide jusque dans les couches profondes, dule à l'inversion du sens du fluxde l'émulsion sor- tant du tube émulseur, favorise-par ailleurs le maintien en suspension des matières solides. -7- REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à réaliser l'introduction de gazà une certaine profondeur, dans une masse liquide, constitué par au moins un tube émul- seur immergé dansleliquide, disposé verticalement au-dessusd'une arri- vée de gaz, caractérisé en ce que l'ouverture supérieure du tube émulseur est orientée de telle sorte ou munie de moyens tels que le flux ascendant d'émulsion gaz-liquide dans le tube soit dévié et à la limite inversé, à sa sortie du tube émulseur. 2) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube émulseur présente à sa partie supérieure au moins un coude dont l'ouver- ture est dirigée vers le bas. 3) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce quel'ouver- ture supérieure du tube émulseur est surmontée d'une cloche de diamètre supérieur à celui du tube, l'extrémité du tube émulseur pénétrant à l'inté- rieur de la cloche d'une hauteur h choisie en fonction du débit de gaz sou- haité. 4) Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le dia- mètre de la cloche est avantageusement égal à 1, 5 à2 fois celui du tube émulseur, la hauteur (h) de pénétration du tube àl'intérieur de la cloche est de 0 à 1/20 de la hauteur totale du tube, suivantles caractéristiques de fonctionnement désirées, et (p) étant la profondeur de la cloche, la dimen- sion (p - h) est de l'ordre de la moitié du diamètre du tube. ) Dispo sitif suivant 1 'une quelconque de s revendications 3 et 4, carac - térisé en ce que la cloche est fixée au tube par des moyens tels qu'ailettes, disposées radialement etportées par la cloche, ou le tube, ou à la fois par la cloche et le tube. 6) Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé ence que les ailettes sont montées à la fois sur le tube et sur la cloche, par exemple par encastre- ment, de façon à faire varier leur position réciproque en hauteur, en vue du réglage de la hauteur (h) de pénétration de la cloche sur le tube. 7) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, carac- térisé parunréglage en fonctionnement de ce dispositif au moyen d'une tige de commande reliée à la cloche et manoeuvrée à partir d'une passerelle enjambantle bassin dans lequel est placé le dispositif et déplaçant verticale- ment la cloche, en vue de faire varier sa profondeur d'enfoncement sur le tube. 8) Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la tige de commande est reliée, non à la cloche, qui estfixe, mais à une jupe mobile que comporte la cloche. 9) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 8 caractérisé en ce que la cloche est un solide de révolution et est, de préfé-- rence, de forme cylindrique, à fond plat, ou de forme arrondie à section ellipsordale ou sphéroidale. ) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les ailettes servant à la fixation du tube sur la cloche sont inclinées de façon à provoquer une rotation de l'émulsion passant par le tube.