Brevet FR2518419A1 — publié le 19830624

La présente invention est relative à un procédé pour mettre des liquides en contact avec des gaz, par intro- duction d'un jet de liquide cohérent par l'intermédiaire d'une buse, à travers la couche de gaz à haute vitesse dans le liquide. En raison principalement de la quantité croissante d'effluents à purifier et des progrès en biotechnologie réalisés, ces dernières années, on a observé un besoin fortement accrû de nouveaux procédés pour mettre en contact des gaz et des liquides qui peuvent satisfaire de façon économique aux diverses nécessités, à savoir augmenter la capacité de l'équipement, diminuer l'investissement spécifi- que et les coûts énergétiques et réduire les durées de réaction et de séjour, par rapport aux réacteurs de mélange généralement utilisés à ce propos Aucun procédé connu unique ne peut, en pratique, satisfaire à toutes ces exigences. Sch Ugerl, K (Chem -Ing Tech 52, 951-965, ( 1980)) donne un bon aperçu des méthodes connues Selon lui, les unités de contact gaz-liquide connues peuvent être classées en fonction de la méthode de transfert d'énergie, parmi les groupes suivants: systèmes mécaniques, systèmes à compresseur, systèmes à pompe et leur associations. Une comparaison des différents systèmes de contact gaz-liquide est effectuée en pratique en fonction de la vitesse du transfert de masse, de la consommation d'énergie spécifique du transfert de masse et de la dépendance de ces deux facteurs avec la viscosité De façon générale, onpeut établir pour les systèmes connus, que dans le cas de liquides à viscosité élevée, ils ne peuvent pas simultanément satisfaire aux exigences d'une vitesse élevée de transfert de masse et d'une demande énergétique minimum. Dans la plupart des systèmes basés sur un contact gaz-liquide, la vitesse de transfert de masse entre la phase gazeuse et la phase liquide correspond au procédé le plus lent et cette vitesse détermine-aussi les durées des autres réactions Une augmentation de la vitesse de transfert de masse permet une notable diminution des durées de réaction, dans de nombreux cas accompagnée d'une réduction du volume opérationnel du système Dans le cas o une augmentation de la concentration est rendue possible par une augmentation de la vitesse du transfert de masse et est accompagnée d'un accroissement de la viscosité, il est très important d'as- surer que le fonctionnement du système ne dépende que dans une mesure réduite, de la viscosité de la phase liquide. En général, les systèmes connus ne peuvent pas satisfaire cette exigence, Dans les systèmes connus à base de pompe, une variante comprenant un jet de liquide qui plonge ou entre en contact, est utilisée de façon croissante Il est carac- téristique de ces systèmes que le gaz est envoyé à travers le liquide à l'aide d'un jet plongeant du haut et entrant en collision avec le liquide, tandis que le liquide lui- même circule Deux types de tels systèmes sont connus: l'entraînement du gaz est réalisé avec une pompe à jet de liquide; dans ce cas, le gaz est dispersé dans le jet de liquide avant le choc (brevet RDA N O 56 763); le gaz est transporté mécaniquement dans le liquide sous l'effet de l'inégalité superficielle du jet de liquide libre cohérent traversant la couche de gaz; dans ce cas, la principale dispersion du gaz a lieu après le choc, (Sch Ugerl, K, Chem-Ing Tech 52 956 ( 1980 >). L'inconvénient fondamental des procédés connus exploitant le dernier principe, réside en ce qu'une aug- mentation de la vitesse du jet de liquide provoque une forte réduction de la quantité de gaz dissous par unité d'énergie (van de Sande, E and Smith, J M, Chem Eng J. , 225-233 ( 1975), Figure 6), tandis que la profondeur de pénétration du jet de liquide est si faible dans la gamme des petites vitesses du jet de liquide avantageuses du point de vue énergétique (inférieures à 5 m/s), que l'uti- lisation pratique, en particulier l'utilisation-industrielle à grande échelle, est ainsi considérablement réduite (Chem. Eng J 10, 231 ( 1975) On peut attribuer à ce fait que l'efficacité de tels procédés obtenue en pratique, est inférieure à celle des contacteurs gaz-liquide d'autres types (Chem Ing Tech 52, 951-965 ( 1980), Table II). La présente invention cherche à fournir un procédé qui élimine ou réduit les inconvénients-des solutions connues et rendre possible le contact de liquides avec des gaz de façon simple et peu coûteuse, tout en atteignant des vitesses accrues de transfert de masse et une consommation énergitique inférieure à celle de l'art antérieur. La présente invention repose sur la constatation que le rendement et les propriétés d'un système peuvent être fortement augmentés, si la vitesse du jet de liquide atteint ou dépasse la valeur de 20 m/s et si le nombre de Reynolds du jet de liquide quittant la buse atteint ou dépasse la valeur de 400 000 Cette-constatation est éton- nante parce que, étant donnée la relation connue existant entre la vitesse du jet de liquide et de l'absorption spécifique du gaz, on s'attend à ce qu'avec de telles valeurs de vitesse de jet de liquide, la quantité de gaz pouvant se dissoudre, diminue plutôt qu'augmente. Une autre base de la présente invention consiste en la découverte du fait que la quantité de gaz qui peut être dissous par unité d'énergie, peut être encore accrue si la longueur de la trajectoire libre du jet de liquide cohérent atteint ou dépasse 15 fois le diamètre du jet de liquide. En conséquence, la présente invention est rela- tive à un procédé pour mettre en contact des liquides avec des gaz, selon lequel un jet de liquide cohérent est intro- duit à vitesse élevée à partir d'une buse, à travers une couche de gaz dans le liquide Conformément à la présente invention, le jet de liquide sort de la buse à une vitesse de 20 à 38 m/s, de préférence 24 à 28 m/s, avec un nombre de Reynolds d'au moins 400 000 et la longueur de la trajectoire libre du jet de liquide est maintenue à une valeur d'au moins 15, de préférence de 20 à 25 fois le diamètre du jet liquide. Le procédé conforme à la présente invention est très largement applicabie pour réaliser un contact intense entre la plupart des liquides variés, par exemple des solutions ou des suspensions et des gaz ou des mélanges gazeux Des applications possibles sont, par exemple, la fermentation aérobie, la purification d'effluent biologique aérobie, l'aération de viviers, des réactions catalytiques gaz-liquide, par exemple l'hydrogénation catalytique et la purification des gaz par absorption. Les principaux avantages du procédé conforme à la présente invention sont les suivants: a) Une augmentation notable de la vitesse de trans- fert de masse est rendue possible, par rapport à ce que fournissent des procédés connus Il permet une valeur maximum de la vitesse de transfert d'oxygène à partir de l'air, de 50 à 55 kg 02/m 3 x-heure, ce qui est un multiple de la quantité d'oxygène qui peut être dissoute avec un équipement connu. b) La vitesse élevée de transfert de masse permet de réduire notablement le volume du réacteur et d'augmenter en proportion la concentration du produit. c) Il rend possible une consommation d'énergie spécifique avantageuse; pour dissoudre 1 kg de 02, il faut 0,17 à 0,38 k Wh d'énergie. d) Le transfert de masse est pratiquement indé- pendant de la-viscosité du liquide, sur une large gamme. e) Une vitesse extrêmement élevée de l'utilisa- tion du gaz est permise, si bien qu'une vitesse donnée de transfert de masse peut être atteinte avec une prise de gaz relative bien plus petite,entrainant ainsi une meilleure utilisation du volume. f) Le procédé peut être effectué dans un équipement extrêmement simple, avec de faibles coûts d'entretien et d'investissement. Une augmentation de la dimension de l'équipement peut être réalisée avec une diminution simultanée de la consommation spécifique d'énergie du transfert de masse. Un quelconque type de buse convenable pour produire un jet cohérent de liquide peut être utilisé conformément au procédé Afin de réduire les pertes d'écoulement, il est avantageux d'utiliser le dénommé "tuyau à jet" ayant un profil paraboloîde-hyperboloide, utilisé dans des turbines Pelton. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se refère à des exemples de mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention. Exemple 1 On introduit 0,2 m 3 d'une solution de sulfite de sodium 0,5 M dans un récipient ayant une hauteur de 2,5 m et un diamètre de 0,45 m et on la fait circuler à travers une buse de 0,02 m de diamètre en présence de 0, 001 mole/ * 5 litre de sulfate de cobalt à titre de catalyseur A l'aide d'un jet de liquide ayant une vitesse de 22,5 m/s (RE = 450 000) et une longueur de trajectoire libre de 0,4 m, on obtient une vitesse de transfert d'oxygène à partir de l'air à la pression atmosphérique, qui est de 49,2 kg de 02 /m 3 x heure, telle que mesurée sur la méthode reposant sur l'oxydation du sulfite de sodium (Linek, V and Vacek V, Chem Eng Sci 36, 1747-68 ( 1981)) Cette valeur correspond à une consommation énergétique spécifique de 0,18 k Wh/kg de 02 Exemple 2 Là procédure décrite dans l'exemple 1 est répétée si ce n'est que l'on utilise un jet de liquide ayant une vitesse de 34,8 m/s(Re = 556 000) et une bute de 0,O 16 m de diamètre La vitesse de dissolution de l'oxygène est de ,0 kg de 02/m 3 x-heure,qui correspond à une consommation énergétique spécifique de 0,38 k Wh/kg de 2 Exemple 3 On met en circulation 2,5 m 3 d'une solution 0,5 M de sulfite de sodium dans un récipient de 6,5 m de hauteur et 1 m de diamètre, à travers une buse de 0,06 m de diamètre, en présence de 0,001 mole/l de sulfate de cobalt catalyseur de même que dans l'exemple 1 La longueur de la trajectoire libre du jet de liquide-est de 09 m et sa vitesse est de 25,4 m/s (Re = 1 524 000) La vitesse de dissolution de l'oxygène èst de 54,5 kg de 02/m 3 x heure, qui correspond à une consommation énergétique spécifique de 0,17 k Wh / kg de Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'inven- tion ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. 2518 4 1 9 REVENDICATIONS 1 Procédé pour mettre en contact des liquides avec des gaz par introduction dans le liquide, d'un jet de liquide cohérent à grande vitesse provenant d'une buse, à travers la couche de gaz, caractérisé en ce que le jet de liquide sort de la buse avec une vitesse de 20 à 38 m/s et un nombre de Reynolds d'au moins 400 000 et que la longueur de la trajectoire libre du jet de liquide est maintenue à une valeur d'au moins 15 fois le diamètre du jet de liquide. 2 Procédé selon la revendication 1, caract& * risé en ce que le jet de liquide sort de la buse à une vitesse de 24 à 28 m/s. 3 Procédé selon la revendication-l ou 2, carac- têrisé en ce que la longueur de la trajectoire libre du jet de liquide est maintenue à une valeur de 20 à 25 fois le diamètre du jet de liquide.