Brevet FR2491773A1 — publié le 19820416

Procédé et dispositif pour provoquer des échanges physiques et/ou chimiques entre un liquide et un gaz L'invention concerne un procédé et installation pour provoquer les échanges physiques et/ou chimiques entre un liquide et un gaz. Il existe différents procédés et dispositifs pour assurer les échanges entre un liquide et un gaz. Ainsi, pour des échanges thermiques, on met en oeuvre des échangeurs à action indirecte dans lesquels la chaleur transite au moyen de parois séparatrices conductrices de la chaleur ou au moyen de corps solides ou liquides caloporteurs. Il faut noter cependant-que ces dispositifs présentent une résistance importante aux flux de chaleur de telle sorte que le rendement d'échange est faible dans les conditions habituelles d'utilisation et sont essentiellement des échangeurs de chaleur sensible. On connatt également dans le domaine des échanges thermiques, les tours de refroidissement à l'air atmosphérique dans lesquelles le refroidissement est obtenu à la fois par échange de chaleur sensible et par effet d'évaporation du liquide. Le liquide est disper sé en pluie au sommet d'une tour traversée de bas en haut selon une circulation naturelle ou forcée, par de l'air prélevé dans l'atmosphère. Le rendement de ce genre d'installations dépend du temps de contact de l'air et du liquide et de la proportion des composants liquide/ gaz. On obtient des résultats satisfaisants avec des installations de grande hauteur dans lesquelles la dispersion du liquide dans l'air est très fine, ce qui exige des pulvérisateurs efficaces d'entretien fréquent et grands consommateurs d'énergie. Des échangeurs liquide/gaz sont également utilisés pour évaporer et concentrer. Dans ces dispositifs, on provoque l'éva- poration sous vide partiel. Leurs performances sont excellentes mais son mal adaptées aux faibles taux d'évaporation et leur cotit élevé est prohibitif pour bon nombre d'applications. Enfin, de tels échangeurs sont également utilisés pour oxygéner des nappes d'eau ou eaux usées. Certains consistent à injecter de l'oxygène ou de l'air comprimé par un réseau de canalisations convenablement agencées au fond d'une nappe à traiter, d'autres consistent å provoquer une agitation très violente en surface. Dans l'un et l'autre cas, le rapport efficacité/co#t est faible, la qualité de l'échange étant médiocre dans le premier cas, la dépense d'énergie étant élevée et seule, la partie superficielle de la nappe est traitée dans l'autre cas. En outre, ces installations ne permettent pas un traitement en ligne (ou par phases successives) des eaux ou effluents. Dans ce domaine, il est connu également d'oxygéner ou traiter un liquide en formant une nappe de liquide au-dessus d'un support pourvu de canaux d'admission d'un gaz. La nappe de liquide peut ainsi circuler sur une pluralité de supports. Ces derniers sont généralement constitués, soit d'une mousse plastique alvéolaire, soit d'un réseau de tubes capillaires pour le liquide en cause de manière d'une part, à créer une fine division du gaz qui est admis sous pression sous la face inférieure du support et d'autre part, 8'éviter, en cas d'absence de gaz, que le liquide ne s'écoule au travers du support par lesdits canaux. L'un des inconvénients de ces dispositifs est de créer une très grande perte de charge pour le gaz lors de son passage au travers du support.Il est donc nécessaire de pourvoir l'installation d'une soufflerie de puissance importante pour obtenir un débit de gaz suffisant dans la nappe liquide. Ces dispositifs procèdent par dispersion du gaz dans le liquide. L'invention se propose de remédier aux inconvénients des installations exposées ci-dessus au moyen d'un procédé de création d'un échange liquidelgaz efficace avec une faible consommation d'énergie et pour le mettre en oeuvre, un ensemble de moyens robustes et bon marché, ne nécessitant aucun entretien compliqué, permettant ainsi son application à de nombreux cas : échanges thermiques, distillation, concentration traitements physico-chimiques des liquides.... A cet effet, la présente invention a pour objet, un procédé pour créer un échange physique et/ou chimique entre un liquide et un gaz, selon lequel on provoque une dispersion de l'un des deux éléments dans l'autre par introduction forcée du gaz dans le liquide. Selon l'une des caractéristiques principales de l'in vention, on introduit ledit gaz dans le liquide par l'intermédiaire d'un répartiteur et uniformisateur de pression, constitué d'une sole sensiblement horizontale pourvue de perforations non capillaires pour le liquide en cause, sur la face supérieure de laquelle est situé le liquide à traitera le gaz sous pression étant admis sous sa face inférieure et traversant les perforations à une vitesse verticale suffisante pour provoquer une suspension du liquide au-dessus de la sole. De manière préférée, le liquide est admis au-dessus de la sole dans une direction sensiblement horizontale, tandis que le seuil inférieur de vitesse de l'air dans la sole est de 10 metres par seconde. L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus, constitué par une structure de support d'une sole formée d'une plaque mince perforée, sensiblement horizontale, définissant au-dessus de la sole les parois verticales d'un bac de réception et de traitement du liquide pourvues d'un seuil de déversement de hauteur réglable et en-dessous de la sole, les parois d'une enceinte de réception pour le gaz sous pression. En outre, la section des perforations de la sole est comprise entre 1 et 15 millimètres carrés, tandis que la somme des sections des perforations rapportée à la surface totale utile de la sole est d'une valeur comprise entre 3 et 10 pour cent. Par ailleurs, ce dispositif comporte au moins un canal d'admission du liquide dans le bac susdit, orienté horizontalement au niveau de la face supérieure de la sole. Dans une application particulière du dispositif selon l'invention au traitement des eaux d'un étang, d'une lagune..., la structure de support est pourvue de flotteurs pour etre placée sur la surface libre d'une nappe liquide à traiter, ladite surface formant la paroi de fond de l'enceinte de réception du gaz sous pression, tandis que des moyens de pompage sont prévus pour transférer le liquide de ladite nappe sur la sole et pour alimenter ladite enceinte de gaz en air atmosphérique sous pression. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif, qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 illustre un mode de réalisation fixe d'un dispositif échangeur selon l'invention, - La figure 2 est une variante de réalisation particulière flottantedu dispositif# selon la revendication 1, Tel que représenté sur la figure 1, le dispositif comporte une structure de support 1, dans laquelle est disposée une sole perforée 2 horizontale, délimitant une zone d'échange ou bac 3 entre un liquide et un gaz, le gaz provenant de tous moyens appropriés, tels que compresseur ou ventilateur 4, étant canalisé par la structure 1 en sa partie inférieure ou enceinte 5.Un conduit d'alimentation 6 permet une amenée continue- du liquide au-dessus de la sole 2 selon une direction sensiblement horizontale, dans le bac de réception et de traitement que définit la structure 1 au-dessus de cette sole. Un seuil de hauteur réglable 7 constitue un passage d'évacuation du liquide traité en direction d'un canal d'évacuation 8. Ce seuil sera de préférence situé à l'opposé du conduit 6 de manière que le trajet du liquide dans le bac soit le plus long possible et donc que, pour un débit donné le temps de séjour du liquide soit le plus long possible. La sole 2 est constituée par une plaque mince perforée, la section des perforations 2a et la hauteur de ces dernières sont telles qu'elles ne présentent pas de caractéristiques capillaires pour le liquide à traiter. La section des perforations est comprise entre 1 et 15 millimètres carrés. En outre, leur densité est telle que le rapport de la somme des sections des perforations à la surface utile de la sole est compris entre 3 et 10 pour cent. Ainsi, la sole perforée 2 constitue un répartiteur et un uniformisateur du flux de gaz vertical la traversant. En effet, la sole est pour la circulation du gaz une perte de charge qui engendre dans une zone immédiatement adjacente à sa face inférieure, une épaisseur de gaz dans laquelle la pression est sensiblement homogène. Le gaz passe ensuite dans chacune des perforations avec une vitesse uniforme sur toute la surface de la sole. Bien entendu, cette vitesse dépend de l'épaisseur de la nappe de liquide au-dessus de la sole, et l'uniformité de cette vitesse peut être affectée par une sur-épaisseur localisée de la nappe ou ltenergíe cinétique dans le sens vertical d'une partie de la nappe. Pour minimiser de tels risques, on a prévu une alimentation par le canal 6 dans le sens horizontal et au niveau de la sole, de manière que le liquide admis ne possède pas, ou peu d'énergie cinétique dans le sens contraire à celui de la circulation du flux de gaz. La vitesse de passage du gaz au travers de la sole sera supérieure à une valeur minimale qui dépend de l'épaisseur de la nappe de liquide, de sa nature, et de la dimension des perforations. De préférence, elle ne sera pas inférieure à 10 mètres/seconde. Dans ces conditions, on crée une véritable suspension de la nappe de liquide par le flux de gaz vertical qui interdit notamment le passage du liquide au travers de la sole. En outre, compte-tenu de la vitesse relativement élevée du gaz, ce dernier crée une division de la masse liquide et une dispersion plus ou moins fine de celle-ci dans le flux gazeux selon que le débit gazeux et donc sa vitesse est plus ou moins grande. Dans un exemple de réalisation, on a mis en oeuvre une sole épaisse de 2,5 mallimètres, perforée à 5,5 pour cent, la section des perforations étant égale à 4,9 mm2. La vitesse de passage du gaz (de l'air) dans la sole est de 10 mètres par seconde. On a constaté que la perte de charge totale de l'air dans la nappe et la sole était de l'ordre de 50 à 70 millimètres de colonne d'eau. La puissance nécessaire au traitement horaire de 50m3 de liquide (eau) par 20 000 m3 d'air est voisine de 6 kilowatts. I1 faut remarquer enfin en regard de cette figure 1, que le support 1 possède un point bas avec une canalisation Sa permettant l'évacuation du liquides susceptible de traverser la sole lors du démarrage ou de l'arrêt du dispositif. La canalisation Sa est obturée pendant le fonctionnement du dispositif. Sur la figure 2, la structure support 10 est flottante (ou comporte des flotteurs) sur une nappe horizontale importante de liquide 18, telle que par exemple, étang, canal, lagune, etc, la sole horizontale perforée 11 disposée à l'intérieur de la structure 10 délimitant une zone d'échange ou bac 3 supérieure et une enceinte de réception du gaz en sa partie inférieure 4 fermée par la surface supérieure de la nappe 18. Des moyens de pompage sont constitués d'une centrale comportant, couplés à l'arbre 12 du moteur 13, une pompe 14 et un ventilateur 15.La pompe 14 disposée dans une canalisation 16 a pour but de prélever en continu le liquide et de de l'amener au-dessus de la sole perforée ll la direction d'alimentation du bac 3 étant horizontale au moyen des portions horizontales 16a de la canalisation 16,le ventilateur 15 a pour fonction de puiser le gaz à l'extérieur et de l'injecter sous la sole perforée 11 à une pression nécessaire pour provoquer la suspension du liquide et l'échange souhaité. Dans la réalisation décrite, les moyens de pompage sont disposés au centre de la structure. On peut imaginer, sans sortir du cadre de l'invention, d'autres dispositions poiur ces moyens. On notera également que la canalisation 16 permet le traitement des eaux profondes de la nappe. Lorsque l'échange entre le liquide et le gaz est réalisé, le liquide s'évacue par débordement en la partie supérieure 17 de la structure support 10. Le procédé et le dispositif selon l'invention sont susceptibles d'être appliqués dans des domaines très variés, dans la mesure où l'on tolère des échanges non spécifiques et non limites à un seul paramètre. Aiasi, le dispositif peut fonctionner en échangeur de chaleur, en évaporateur, pour des utilisations en concentration, en production d'eau potable, en échangeur chimique, en oxygénateur.. L'invention n'est pas limitée à la description qui vient d'en être donnée mais couvre, au contraire, toutes les variantes qui pourraient lui être apportées sans sortir de son cadre ni de son esprit. REVENDI CÂTIONS 1. Procédé pour créer un échange physique et/ou chimi que entre un liquide et un gaz selon lequel on provoque une disper sion de l'un des deux éléments dans l'autre par introduction forcée du gaz dans le liquide, caractérisé en ce que l'on introduit ledit gaz dans le liquide par l'intermédiaire d'un répartiteur et uniformisateur de pression constitué d'une sole sensiblement horizontale pourvue de perforations non capillaires pour le liquide en cause, sur la face supérieure de laquelle est situé le liquide à traiter, le gaz sous pression étant admis sous sa face inférieure et traversant les perforations à une vitesse verticale suffisante pour provoquer une suspension du liquide au-dessus de la sole. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est admis au-dessus de la sole dans une direction sen siblement horizontale. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse de l'air susdite est supérieure à 10 mètres par seconde. 4. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est constitue par une structure de support d'une sole formée d'une plaque mince perforée, sensiblement horizontale, définissant au-dessus de la sole les parois verticales d'un bac de réception et de traitement du liquide pourvues d'un seuil de déversement de hauteur réglable et en-dessous de la sole, les parois d'une enceinte de réception pour le gaz sous pression. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section des perforations de la sole est comprise entre 1 et 15 millimètres carrés, tandis que la somme des sections des perfo rations rapportée a la surface totale utile de la sole est d'une valeur comprise entre 3 et 10 pour cent. 6. Dispositif selon la revendication 4, ou la reven dication 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un canal d'admission du liquide dans le bac susdit orienté horizontalement au niveau de la face supérieure de la sole. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la structure de support est fixe, l'en- ceinte de réception du gaz sous pression comportant un point bas pourvu d'une ouverture obturable de##idange. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la structure de support est pourvue de flotteurs pour être placée sur la surface libre d'une nappe liquide à traiter, ladite surface formant la paroi de fond de l'enceinte de réception du gaz sous pression, tandis que des moyens de pompage sont prévus pour transférer le liquide de ladite nappe sur la sole et pour alimenter ladite enceinte de gaz en air atmosphérique sous pression.