Brevet FR2495494A1 — publié le 19820611

L'invention concerne un procédé pour disperser aw moins un gaz au sein d'un liquide. Elle est destinée par exempie à aérer des liquides, en particulier dans les processus d'épuration biologique des eaux potables ou des boues résiduaires, ainsi que pour realiser la flottation des minerais en vue de leur enrichissement. Elle trouve aussi un débouché dans l'industrie chimiqe. et spécialement dans les cuves agitées de réaction et de dissolution gas quide. A titre d'exemple. on peut citer l'oxydation de produits aromatiques, les fermentations aérobies, l'hydrogénation des glycérides, ou les polymérisations en suspension. Les qualités recherchées dans les diverses applications de mélange gaz-liquide sont principalement - une interface de contact maximale, ce qui conduit à obtenir des bulles de gaz très fines et qui ne coalescent pas. - une répartition de ces bulles bien homogène dans tout le volume du liquide. - une durée de rétention des bulles aussi longue que possible malgré leur tendance a remonter en surface. On connalt depuis longtemps, pour disperser un gaz dans un liquide, l'utilisation d'un rotor a aubes formant des conduits radiaux et qui est noyé dans un volume du liquide, avec au moins une admission axiale du gaz et du liquide qui sont ensuite éjectés l'un et l'autre hors du rotor. Une telle disposition est décrite par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 1 984 366 par A.W. FARRESWALD. Lorsque le rotor est en Outre à peu près au milieu du volume de liquide, celui-ci se trouve le siège de mouvements de convection qui réalisent un brassage efficace du mélange, comme indiqué par exemple dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique n0 3 327 851 par CM. ANDERSON. On observe cependant dans les divers dispositifs connus, que le rendement n'est pas optimal. car les bulles de gaz sont assez grosses, mal réparties dans le liquide et en sortent trop rapidement, comme c'est indiqué par exemple en détail dans le préambule du brevet français n0 2 232 356 par OUTOKUMPU-OY. L'invention a pour but un procédé qui évite ces inconvénients, et elle se caractérise en ce qu'une zone de de survitesse axiale du liquide est créée a ?'admission du rotor, et que le gaz est introduit à prorimité de cette zone de survitesse. On a constaté que cette disposition nouvelle donne naissance des l'éjection du gaz ea répartition en petites bulles qui ne tendent puls, comme ovcc les techniques antérieures, à remonter ni à se réunir en bulles plus grosses a' l'intérieur même du rotor. Avec le procédé selon l'invention, le rotor éjecté à sa périphérie un mélange homogène de très petites bulles, mélange qui se r~ artit lui mäme et de façon durable, dans l'ensemble du liquie. Un rotor selon l'invention comporte un fond supérieur et un fond inférieur coaxiaux et reliés par des pales droites ou incurvées qui délimitent des passages allant de l'axe vers la périphérie, et il se caxactérise en ce que l'ort- fice d'admiseion commun a ces passages est de section plus faible que la surface totale de sortie périphérique des passages. De ce fait cet orifice et les entrées des passages entre les pales sont le siège d'une survitesse du liquide,ce qui fait que le gaz introduit t cet endroit est soumis > un cisaill'nent intense -provoquant la formation de très fines bulles, dont la dispersion est assurée par le ux radial centrifuge provoqué par la rotation. Les figures indiquent des exemples de réalisation de l'invention. La figure 1 est une coupe selon l'axe d'un rotor selon l'invention placé dans une cuve de flottation ou de réaction et d'axe vertical. La figure 2 est une coupe horizontale du même rotor selon 2-2 de la figure 1. Le rotor du mélangeur des figures 1 et 2 comporte un disque 1 horizontal et qui constitue le fond supérieur. Il comporte en son centre une bride 2 permettant la fixation dlun arbre d'entraînement 3 soutenu par un palier-moteur 4 lui-même soutenu par le couvercle 5 de la cuve mélangeuse 6, dispositions courantes en pareille matière. Il pourrait aussi être soutenu par des flotteurs à la surface 7 du liquide a mélanger. Un tronc de cane 8 constitue le fond inférieur. Sa plus petite base est dirigée vers le disque supérieur et centrée sur l'axe du rotor. Il comporte un orifice d'entrée 9 du liquide et aussi du gaz & mélanger lorsque celui-ci est émis par une buse 10 située sur l'axe et en dessous du rotor. Cette buse qui de préférence provoque une première dispersion même grossière du gaz. est portée par un tube d'injection 11 bridé en 12 sur la cuve 6 et alimenté par un compresseur non figuré. Des pales 13, 14 et 15 assurent la liaison entre les deux fonds 1 et 8. Elles sont, dans cet exemple, incurvées pour se diriger dans le sens de la rotation, en vue d'augmenter la vitesse du mélange liquide-gaz lorsqu'il sort d la périphérie du rotor. L'incurvation peut être continue, comme figuré pour les pales 13 et 14 qui sont ici des portions de cylindre de rayon de courbure égal au tiers du diamètre du fond 1. Elle peut être progressive ou même a' facettes comme figuré pour la pale 15. Selon l'invention l'orifice 9 du fond inférieur 8 est très petit relativement aux orifices de sortie à la périphérie du rotor entre les pales. Le rapport de ces sections est égal à 9 dans un modèle préconisé. On admet qu'il doit être au moins égal à 4 pour mettre en oeuvre correctement l'invention. En fonctionnement une forte aspiration est produite, dudit de la faible section de:i'orifice 9. La vitesse de l'écoulement et le cisaillement intense qui en résultent créent, dès l'entrée du fluide le fractionnement des bulles aspirées à partir de la buse dintection 10 Le fractionnement se produit de même, dès le centre du rotor,si l'injection se fait en variante ou en supplument par l'arbre 3, qui est alors creux, l'écoulement du gaz se faisant soit par aspiration naturelle de la dépression au centre du rotor soit avec l'aide d'un compresseur. Dans tous les cas les bulles ainsi fractionnées sont assez petites suivre le courant de liquide sans ségrégation en hauteur au sein du rotor ni coalescence entre elles. Elles sont alors dispersées dans le liquide de la cuve 6 par le flux radial centrifuge provoqué par les pales du rotor en rotation. Le flux principal de l'écoulement dans cette cuve, figuré par les flèches de la figure 1, est réaspiré par l'ori- fice 9 à la partie inférieure du volume liquide. Il entraîne donc les bulles vers le bas, ce qui favorise l'augmentation de leur temps de séjour dans ce liquide. La forme du fond inférieur en tronc de cône s'écartant de l'autre fond 1 a partir de l'orifice d'entrée 9, n'est pas nécessaire à l'obtention de l'effet de fractionnement au centre du rotor. Elle est cependant préférable pour mieux guider l'ensem- ble du flux aspiré ainsi que les grosses bulles émises par la buse 10. De façon connue, des aubes fixes formant stator peuvent être fixées soit comme l'aube 16 sur la paroi de la cuve pour limiter la mise en rotation dans le volume de celle-ci, soit à proximité du rotor comme l'aube 17 portée par des bras 18, pour contribuer en outre à fractionner le flux centrifugé. Cependant cette dernière action reste minime vis à vis de celle qui a lieu dans le rotor. Le nombre de l'un oti l'autre type d'aubes fixes dépend de la viscosité du liquide et de son frottement sur les parois de la cuve. Outre les diverses variantes sus-indiquées, on peut noter que le nombre de pales du rotor peut être différent de 3, il dépend en effet des caractéristiques du liquide et de la proportion de gaz introduit. L'angle du tronc de cône que forme le fond 8 est de préférence de 600 par rapport à l'axe du rotor. Cependant on peut appliquer l'invention avec des fonds d'angles différents par exemple 456 et même 300, ainsi qu'avec un fond plat bien que dans le cas d'angle trop voisin de 900 apparaisse un risque de dispersion des bulles par la face extérieure du fond, donc de moindre fractionnement de celles-ci. Dans le cas d'utilisation de l'invention dans un bassin très étendu, par exemple en lagunage aéré, on- emploie plusieurs rotors indépendants répartis sur la surface de ce bassin. Dans le cas où comme sur les figures un rotor est associé à une cuve de forme ramassée, on peut noter qu'un rotor de diamètre inférieur au dixième de celui de la cuve suffit à aérer très complètement le contenu de celle-ci. Ce diamètre périphérique est normalement celui qui limite extérieurement les aubes. Intérieurement elles sont-tlimitées par un diamètre intérieur, et l'orifice 9 est de préférence de diae mètre égal ou inférieur à ce dernier. Four liciter les pertes de charges et réduire la consomma@ tion énergétique, on peut atténuer le brusque changeme nt de direction du fluide à l'entrée dars la trline en réalisant un bord arrondi, (1) comme représenté sur la figure Four éviter l'obturation de la turbine , dans certaines applications copportant des produits en suspension (par exemple produits fibreux , déchets ...) on peut supprime: le tond inférieur, constitué dtun cone. A E V E N D I C A T I O N S 1. Pro@édé pour mélanger un gaz avec un liqulde, au moyen d'un rotor qui tourne an zein d'un volume du liquide et qui comporte das condu@te radiaux à l'entrée desquels on introduit le gaz er @@me tempa que le liquide qui est pompè pas effet tentrifuge et @esy@l@ dans le @iume, caractörisé en de que l'entrés des @@nduits @addeun @zt rétré@ie, et de section de passage beaucoup pins p@tite que leur section de sortie, 4e sorts que le gez ze t@ouve dispersé en très potites bulles par la survitesse @ @@ette @trés. 2. Precédé selon la revecdisation @@, caractérisé an ce que la section de l'entrés est plus petite que le huitième de celle de sortie. 3. Procédé selon l'une des revendications l ou 2, caractérisé par une admission de ges an dessous du rotor d'axe seasiblement vertical. 4. Procélé aelon l'une des revendications l à 3, caractérisé par des pales fixes autour du rotor. 5. Rotox pour mettre en cenvre le procédé selon l'une des revendications l à 4, comportant des auhes (13, 14, 15) entre un dianètre intérieur et un diam@tre périphérique et reliahnt deux fonds dont l'un (@) comporte un orifice (9), de diamètre égal on inférieur zu diemétre intérieur des aubes, orifice qui constitue la section rétrêcle d'entrée. 6. Botor selon la revesdication 5 caractérisé par des aubes courbées ou pliées pour se diriger dans le sens de rotation au voisinage de la périphérie. 7. Rotor selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le fond (8) qui comporte l'orifice d'entrée est un trone de cône s'écartant de l'autre fond à partir de l'orofice. d'entrée. 8. Rotor selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'angle du trone de cône avec l'axe du rotor est compris entre 30 et 70 . 9. Rotor selon l'une des revendications 5 à 8, entraîné par un arbre rotatif fixé à un fond, caractérisé en ce que cet arbre est creux et débouche à l'intérieur du rotor pour l'alimenter en gaz.