Brevet FR2484862A1 — publié le 19811224

La présente invention concerne un dispositif pour le transfert de gaz dans un liquide. On connait actuellement trois grands types de dispositifs de transfert de gaz dans un liquide à savoir - les dispositifs du type à injection de bulles par air comprimé ou surpressé qui fournissent de grosses bulles au moyen de cannes d'injection ou de fines bulles par dispersion à l'aide d'éléments poreux ou bien encore des bulles dites laminées grâce à des dispositifs combinant l'injection de bulles et une action mécanique permettant une déformation et un allongement du parcours des bulles. - les dispositifs provoquant un brassage de la surface du liquide au moyen soit de turbines soit de brosses ; et - les dispositifs du type venturi permettant la création d'une émulsion. Or, ces dispositifs sont tous caractérisés par la réalisation d'un mélange à faible vitesse relative des deux fluides mis en contact se traduisant par un faible taux de cisaillement du fait que l'écart des vitesses ne dépasse pas quelques mètres par seconde. Il en résulte un faible taux de renouvellement du liquide au voisinage des bulles de gaz et dont les conséquences sont la nécessité d'un long temps de contact entre les deux fluides, un faible rendement d'ut sation et une dépense énergétique relativement élevée d'où des dispositifs et appareils encombrants et peu rentables. Or, la présente invention fournit un procédé et un dispositif permettant d'obtenir un transfert de gaz dans un liquide avec à la fois un temps de contact très faible entre les deux fluides, une dépense énergétique réduite et un épuisement accru en gaz à dissoudre du gaz injecté. On sait déjà obtenir un faible temps de contact entre un liquide et un gaz avec formation d'une émulsion liquide-gaz en injectant, dans le liquide, le gaz à très grande vitesse et sous faible incidence. On assiste en effet à ce phénomène par exemple dans le cas du "propulseur à réaction gazeuse pour la propulsion navale" décrit dans le brevet français NO 7406639 déposé le 27 février 1974 par la Société "Le Moteur Moderne". Un tel propulseur fixé à un corps flottant comprend un diffuseur d'entrée divergent dans lequel l'eau admise est comprimée et ralentie, au moins un étage d'injection de faible longueur faisant suite au diffuseur et comportant lesdits moyens pour introduire le gaz de réaction à très grande vitesse et sous une faible incidence et enfin un étage de détente non convergent. En raison de la vitesse élevée du gaz, l'interpénétration des deux fluides, en s'effectuant rapidement, provoque, dans ladite zone non convergente, une émulsion liquide-gaz de caractéristiques fort interessantes. De telles caractéristiques sont dues au taux très élevé de cisaillement initial résultant de l'écart de vitesse, à l'injection du gaz, de plusieurs dizaines de mètres par seconde. Les conséquences en sont un fort renouvellement de gaz au voisinage du liquide et, partant, un échange énergétique très rapide et à haut rendement et une dépense énergétique relativement faible. Toutes les conditions d'un bon transfert gazliquide sont donc réunies. Toutefois, si un tel "propuiseur" était utilisé tel quel dans le domaine des transferts gaz-liquide, il présenterait, entre autres, les inconvénients suivants - éjection en sortie d'un liquide fortement émulsionné et il en résulterait la perte d'une importante quantité de gaz non dissous - un niveau énergétique général trop élevé puisque l'aspect "propulsif" perd, dans le domaine considéré, son caractère prioritaire. Or, la présente invention obvie à ces inconvénients et fournit un procédé et un dispositif mettant en oeuvre les moyens d'introduction du gaz utilisés précédemment pour permettre d'injecter ce dernier à très grande vitesse et sous une faible incidence et un étage de détente non convergent en combinaison avec des moyens prévus en amont et en aval de ces éléments pour réaliser un ensemble fonctionnant suivant un cycle global à dépression intégrant un cycle partiel à pression. Dans lequel la valeur maximale de la pression reste inférieure à la valeur haute de la pression dans le cycle global. Le procédé selon l'invention est ainsi essen tellement caractérisé par le fait qu'il consiste à abaisser la pression du liquide destiné à entrer en contact avec le gaz considéré, à admettre ce dernier à très grande vitesse et sous faible incidence, a faire confluer les deux fluides dans des conditions de détente pour réaliser une émulsion fine puis à reprendre ladite émulsion et à en élever la pression tout en maintenant la pression résultante à un niveau iné- rieur à celui correspondant a la pression initiale du liquide admis. L'invention couvre également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, dispositif essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend, d'amont en aval, (a) un conduit convergent pour l'alimentation du liquide, (b) un étage d'injection de gaz réalisant une injection de gaz à très grande vitesse et sous faible incidence, (C) une enceinte non convergente dans laquelle s'effectuent la confluence des deux fluides et la réalisation dlune émulsion fine et (d) un conduit divergent débouchant dans une enceinte agencée pour permettre une récupération totale ou partielle du gaz non dissous et/ou son recyclage en (b). Les moyens (a), (b) et (c) du dispositif ainsi conçu permettent la réalisation d'un cycle à dépression alors que le moyen (d) permet d'élever le niveau de pression moyen du cycle total, l'ensemble constituant toujours un cycle à dépression. Comme indiqué précédemment, un tel dispositif présente les avantages suivants - temps de contact très faible entre les deux fluides : par exemple la concentration en oxygène dissous dans une eau peut être amenée de 0 à 50 % de la concentration de saturation dans les mêmes conditions en moins de 0,2 seconde. - dépense énergétique réduite - épuisement accru en gaz à dissoudre. Il en résulte un appareil peu encombrant, d'utilisation peu onéreuse et de grand intérêt quand il s'agit de récupérer et/ou de recycler un gaz coûteux. Par ailleurs, cet appareil, sans aucune pièce mobile, ne présente pas de risque de bouchage, les matériaux le constituant devant être choisis en prenant en compte les caractères éventuellement agressifs des gaz ou liquide traités. Le dispositif aval (d) pour un fonctionnement optimum est avantageusement agencé de manière à permettre une régulation en pression et/ou en concentration en gaz à dissoudre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'un détail de la figure 1 ; - la figure 3 est un graphique montrant les variations de la pression tout au long du dispositif de la figure 1 ; et - la figure 4 est un diagramme illustrant le transfert de gaz obtenu selon l'invention comparé au transfert obtenu selon des procédés connus. En se référant à ces figures, le dispositif selon l'invention comporte, d'amont en aval, un conduit convergent 1 pour l'alimentation du liquide, un étage d'injection de gaz 2 (représenté à plus grande échelle sur la figure 2), étage dans lequel est introduit le gaz en provenance d'un conduit 3. Les sections successives de cet étage d'injection sont fonction de la pression créée dans la conduite 3 de manière que le gaz soit injecté à très grande vitesse par exemple à une vitesse de l'ordre d'une ou de quelques centaines de mètres par seconde et sous une incidence relativement faible de l'ordre d'une dizaine de degrés. L'étage d'injection est immédiatement suivi d'un étage dit de détente 4 constitué par une enceinte dont les parois sont non convergentes, laquelle enceinte débouche dans une zone nettement divergente 5 en communication avec une enceinte 6 de récupération et/ou de recyclage du gaz par la conduite 3. Cette enceinte 6 peut être réalisée en fonction du taux de récupération et/ou du recyclage du gaz à diasou- dre. A l'examen d'une telle constitution, on se rend immédiatement compte en suivant le graphique de la figure 3 qu'il met en oeuvre le procédé de l'invention, c'est-à-dire que dans la zone A-B, la pression du liquide à traiter est sensiblement constante, que cette pression s'abaisse dans le premier moyen amont 1 du dispositif selon l'invention, le liquide parcourant la zone B-C, que la dépression créée garde sensiblement sa valeur suivant C-D dans la zone d'injection du gaz 2, que la pression continue à décroître suivant D-E dans la zone dite de détente 4 et qu'enfin, la pression s'élève suivant E-F dans la zone 6 tout en atteignant une valeur stabilisée suivant F-G restant toujours inférieure à la valeur initiale A-B du liquide introduit dans le système. Le cycle général reste donc un cycle en dépression, ce qui permet au cas où on désirerait recycler le gaz non dissous se libérant dans la zone 6 de le ré-introduire dans la zone 2 par la conduite 3 sans fournir d'énergie supplémentaire, cette zone 2 se trouvant nécessairement en dépression (C-D sur la figure 3) par rapport à la zone 6 (F-G sur la figure 3). On constate qu'en procédant de la sorte et avec le dispositif selon l'invention on obtient, d'une part, une grande efficacité de transfert de gaz dans un liquide, en particulier dans des conditions de pression du gaz à transférer pour lesquelles les procédés jusqu'ici connus se révèlent inefficaces et, d'autre part, une possibilité de récupération et de recyclage du gaz non dissous sans apport d'énergie supplémentaire. Le diagramme comparatif de la figure 4 permet de mettre en évidence la supériorité de l'invention. Sur ce diagramme, sur lequel on a porté en abscisses la pression moyenne du milieu liquide (P) et en ordonnées, la capacité de transfert (Q) - l'allure de la courbe I correspond au cas d;tane injection de bulles - l'allure de la courbe Il correspond au cas d'un brassage de la surface du liquide ou encore à celui de la formation d'une émulsion telle que celle résultant de l'application d'un propulseur du type de celui du brevet français Na 7406 639 impliquant un cycle à pression-détente et enfin - l'allure de la courbe III corrrespond au cas du dispositif selon l'invention. Dans le cas I (courbe I), on voit que lorsque la pression augmente, le procédé utilisé se révèle de plus en plus efficace. Toutefois, pour une capacité accrue de transfert de gaz , la zone de travail optimale (zone A) se situe à une pression P supérieure à P2 (P2 étant couramment de l'ordre de 4.104 Pascal). Dans le cas Il (courbe Il), on constate que lorsque la pression diminue, le système perd rapidement de son efficacité. La zone de travail optimale (B) se situe alors pour P supérieure à P1 et de préférence pour P compris entre P1 et P2 (P1 étant de l'ordre de 2.104 Pascal). Enfin, dans le cas III (courbe IIIX, on voit que la capacité de transfert n'est que très peu influencée par la baisse de la pression moyenne du milieu. Elle garde une valeur importante pour des valeurs de la pression inférieure à P2 et surtout à P1, valeurs pour lesquelles les autres dispositifs perdent de plus en plus leur efficacité (zone C). Il s'ensuit que, conformément à l'invention, l'intégration d'un cycle à pression dans un cycle global à dépression permet de fournir à nouveau au gaz la pression différentielle qui était auparavant assurée par la compression et par conséquent que l'efficacité du transfert est maintenue dans des zones réputées inaccessibles telles que, par exemple, celles correspondant à de très faibles hauteurs manométriques. Par contre, il faut noter que dans les zones de "haute pression l'appareil selon l'invention est moins avantageux comparativement aux appareils mettant en oeuvre les procédés connus. Le procédé et le dispositif de l'invention trouvent des applications multiples. C'est ainsi qu'en raison de la simplic-ité de réalisation, le faible prix de revient et l'efficacité, ils pourront être appliqués - pour le traitement des eaux au moyen d air ou d'oxygène pour l'oxygénation des bassins, en particulier des bassins à faible et très faible profondeur (pisciculture, aquaculture) ; lsosgygénation des eaux et des boues dans les canalisations de transport ; l'oxygénation des eaux d'égouts ;; la désodorisation des eaux chargées et des boues les compléments de fourniture d'oxygène dans les dispositifs d'épuration en particulier biologique dopage des stations) ; l'oxydation des eau réductrices veaux sulfu- reuses ..) - pour le traitement des eaux, au moyen de gaz divers dans les cas du dégazage des eaux et par extension des liquides alimentaires par l'azote ; de l'utilisation du C62 dans certains liquides alimentaires et pour le traitement d'effluents ;; de l'utilisation de O3 de C1 ou de ses dérivés dans le domaine de la désinfection ; - en biotechnologie (industrie pharmaceutique ou industrie agro-alimentaire) pour 0 l'alimentation en gaz pour des réactions biologiques ; la stérilisation des milieux, en particulier pour les fermentations en continu ; la stérilisation des enceintes ; ; - dans l'industrie chimique pour l'introduction des gaz réactionnels dans des liquides, l'hydrogénation, etc - pour le traitement des gaz, en particulier pour leur lavage, leur désodorisation ou leur purification, etc. - et en général dans tous les cas où le transfert d'un gaz dans un liquide est recherché. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif et que toute modification utile pourra y être apporté sans sortir de son cadre tel que défini par les revendications ciaprès. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le transfert de gaz dans un liquide, caractérisé par le fait qu'il consiste à abaisser la pression du liquide destiné à entrer en contact avec le gaz considérés à admettre ce dernier à très grande vitesse et sous faible incidence, à faire confluer les deux fluides dans des conditions de détente pour réaliser une émulsion fine puis à reprendre ladite émulsion et à en élever la pression tout en maintenant la pression résultante à un niveau inférieur à celui norrespondant à la pression initiale du liquide admis. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait qu'il comprend, d'amont en aval, (a) un conduit convergent pour ltalimentation du liquide, (b) un étage d'injection de gaz réalisant une injection de gaz à très grande vitesse et sous faible incidense, () une enceinte non onvergente dans laquelle sieffec- tuent la onfluence des deux fluides et la réalisation dtune émulsion fine et 3.Dispositif de transfert selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les sections successives de passage du liquide et de l'émulsion réalisent un sous-cycle à pression dans un cy-le global à dépression. 4. Dispositif de transfert selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que le moyen aval est organisé de manière à permettre une régulation en pression et/ou en concentration en gaz à dissoudre. 5. Application du procédé selon la revendiration l au traitement des eaux, en biote#hnologie, dans l'industrie chimique, et toutes autres industries impliquant un transfert de gaz dans un liquide. 6. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 a' 4 au traitement des eaux, en biotechnologie, dans l'industrie chimique et toutes autres industries impliquant un transfert de gaz dans un liquide.