Brevet FR2522529A1 — publié le 19830909

Procédé et dispositif pour mélanger et faire réagir des composansliquides avec d'autres composants liqui des, gazeux ou solides ". L'invention concerne un procédé et un dis positif pour mélanger et faire réagir des composants liqui des avec d'autres composa#liquides, gazeux et/ou soli des, suivant un circuit en boucle dans le compartiment de mélange d'un réacteur en boucle. Dans l'industrie chimique, le traitement des eaux usées, la purification des gaz d'échappement ainsi que la biotechnologie, il est souvent nécessaire de mélanger une phase liquide avec des phases qui peuvent être gazeuses, liquides ou solides, ces phases ou les composants de ces phases devant réagir entre eux. Pour un bon déroulement de la réaction, ainsi que pour les manipulations de régulation du système, une répartition étroite des temps de séjour des phases dans le réacteur est souvent nécessaire. Pour le mélange et la réaction de phases de cette nature, il existe des réacteurs en boucle, dans lesquels le mélange des phases passe, à l'intérieur du compartiment de mélange, entre la pénétration des compo sanS et l'évacuation du mélange, grâce à une réalisation appropriée du compartiment de mélange équipé de corps de guidage, dans ce qu'on appelle des boucles. Le réacteur en boucle occupe donc une position intermédiaire entre un appareil mélangeur à agitation et un appareil réacteur, les processus d'écoulement dans le réacteur étant importants pour la vitesse de réaction, le conversion, le débit, le rendement et l'homogénéité du produit. Généralement, un réacteur en boucle est constitué par un corps de réacteur cylindrique, dans lequel se trouve fixé concentriquement un tube de guidage (brevet DE 25 16 284). Il comporte en outre un organe pour faire circuler les composants à mélanger, ainsi qu'une alimentation en liquide disposée concentriquement au tube de guidage. Le courant liquide avec les composants à mélanger pénètre dans le tube de guidage, et aux extrémités supérieure et inférieure de celui-ci, il est dévié de 1800. Afin d'obtenir une circulation répétée et ainsi un bon effet de mélange, l'évacuation du mélange s'effectue par un anneau creux dans le tube de guidage, qui est relié aussi bien avec le compartiment de mélange qu'avec un tube d'évacuation.Cette construction présente cependant l'inconvénient que l'écoulement suivant la boucle est perturbé par le tube d'évacuation, par où le liquide est envoyé à l'extérieur depuis l'anneau creux concentrique, ce qui entraîne un effet de mélange inverse indésirabte. De plus, la circulation répétée souhaitée du liquide n'est pas assurée dans une mesure suffisante. Afin d'obtenir un mélange aussi homogène que possible des phases ou des composants et de conduire ainsi la réaction de façon optimale, il est nécessaire que le spectre des temps de séjour des composants dans le réacteur soit étroit. Un spectre ou -une répartition étroits des temps de séjour signifie que le temps de séjour de chaque particule individuelle est proche du temps de séjour moyen. A cet effet, il faut disposer d'un courant défini, et éviter le plus possible les perturbations de courant dues à des pièces incorporées. Alors que dans une cuve à agitation, on trouve une forme d'écoulement désordonnée (fort mélange inversé), il règne dans les réacteurs en boucle connus un courant principal défini, qui limite le mélange inver sé. Mais malgré les améliorations des durées de séjour, les réacteurs en boucle connus ne sont pas adaptés à toutes les applications. En conséquence, l'invention a pour objectif de proposer un procédé pour mélanger et faire réagir des composaniliquides avec d'autres composais liquides, gazeux et/ou solides, suivant un circuit en boucle dans le com partiment de mélange d'un réacteur en boucle qui permette d'obtenir, avec un mélange bien homogène des composants, une répartition étroite des temps de séjour des compo sants individuels. Il fallait aussi proposer un disposi tif ou l'on évite la perturbation du trajet d'écoulement en boucle, due à des pièces incorporées comme les tuyaux d'évacuation. A cet effet, l'invention propose un procédé caractérisé en ce que, par l'arrivée et l'évacuation du mélange de composants des endroits séparés dans l'espace, à l'intérieur du compartiment de mélange, perpendiculairement au plan de la boucle, le mélange de composants est forcé de suivre un circuit en boucle en forme de spirale, perpendiculaire au plan des boucles. Par la superposition d'un composant de vitesse supplémentaire, perpendiculaire au plan normal des boucles, on est surpris d'obtenir, avec un effet de mélange optimal des phases et des composants, une réparti tion très étroite des durées de séjour. Alors que dans les réacteurs en boucle connus jusqu'à présent, à symé trie de rotation, l'alimentation et l'évacuation des composants effectuent dans chacun des différents plans de boucle, dans le procédé de l'invention, les amenées et les évacuations sont séparées dans l'espace, par exem ple à l'avant (amenées) et à l'arrière (évacuations) du compartiment de mélange. Le procédé selon l'invention pour mélanger et faire réagir des composants liquides avec d'autres composants liquides, gazeux et/ou solides , s'effectue avantageusement dans un réacteur en boucle avec compartiment de mélange, corps de guidage, organes d'alimentation et d'évacuation pour le mélange de composants dispositif caractérisé en ce que les organes d'alimentation et d évacuation sont disposés séparément dans l'espace, dans différents points de l'axe du compartiment de mélange, perpendiculairement au plan de la boucle, et que les corps de guidage de conformation plane, sont en liaison avec les parois du réacteur au moyen de deux parois frontales, parallèlement au plan des boucles. De préférence, les organes d'alimentation et d'évacuation sont disposés dans les corps de guidage et/ou dans les parois du réacteur, de façon à ne pas perturber l'écoulement suivant la boucle. I1 est avantageux que les dimensions du compartiment de mélange soient entre elles dans un rapport longueur : hauteur : largeur de 2 : 2 : 1. Il peut toutefois avoir aussi d'autres dimensions. Comme organes d'alimentation du mélange de composants, des injecteurs à trous ou des fentes se sont avérés efficaces, et comme organes d'évacuation, des fentes et des perçages. L'effet de mélange inverse des composants du mélange peut être réduit encore davantage par incorporation de parois de guidage dans le compartiment de mélange, dans un sens parallèle au plan des boucles. Un mode de réalisation recommandé de l'invention est ce qu'on appelle le réacteur à double boucle. Le compartiment de mélange est divisé ici, par incorporation de deux corps de guidage parallèles, et la disposition correspondante des organes d'alimentation et d'évacuation est répartie, de telle façon qu'il peut se former une double boucle avec deux écoulements en boucle qui passent en sens inverse. L'amenée des composants s'effectue ici de préférence par des buses ou fentes pratiquées dans les parois du réacteur dans le plan de contact des deux boucles, et l'évacuation, par des orifices également situés dans les parois du réacteur ou dans les corps de guidage. On a constaté avec surprise que le réacteur en boucle selon l'invention consomme nettement moins d'énergie que les réacteurs en boucle connus. Les figures I et Il représentent de façon schématique un mode de réalisation exemplaire de l'intérieur de deux réacteurs en boucle, en projection oblique. Le compartiment de mélange 2 du réacteur en boucle 1 contient un corps de guidage 3 plan, dont les deux parois frontales 4 sont fixées parallèlement au plan de la boucle sur les parois 5 du réacteur, et sont donc en liaison avec celui-ci. La conduite d'alimentation 6 est séparé dans l'espace de la conduite d'évacuation 7, et ce sur un axe perpendiculaire au plan de la boucle. De ce fait, le mélange de composants est obligé de parcourir un circuit en boucle 8 en forme de spirale, perpendiculaire au plan de la boucle. La figure Il montre un réacteur dit à double boucle. Dans le compartiment de mélange 9, sont incorporés deux corps de guidage 10, 11 parallèles, et séparés l'un de l'autre. L'amenée des composants s'effectue par des fentes 13 du fond du réacteur. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après 1. Dans le traitement des eaux usées, on doit mélanger des eaux de rejet basiques ou acides avec des acides ou des bases de façon à obtenir la neutralisa tion. La régulation précise de la neutralisation, pour une composition variable des eaux usées, nécessite une répartition étroite du temps de séjour des composants. On a effectué des mesures comparatives dans deux réacteurs ayant le même volume de remplissage. Le réacteur A était constitué par un réacteur de type courant selon le brevet DE 25 16 284, tandis que le réacteur B était un réacteur à double boucle selon l'invention, conforme à la figure Il. Au cours des mesures, l'eau passait en continu dans les réacteurs. Après mise en service de l'introduction dosée d'acide ou de base, on a mesuré le temps nécessaire pour atteindre 90 X de la concentration finale à la sortie du réacteur. Les mêmes mesures ont aussi été effectuées, inversement, avec arrêt de l'introduction mentionnée. Comme le montre le tableau, les durées caractéristiques (valeur de 90 %) peuvent, pour un même débit, être fortement réduites dans le réacteur selon l'invention, la perte de pression étant inférieure d'un facteur 3 environ. Pour des pertes de pression (consommation d'énergie) égales, on a pu faire passer une quantité pratiquement double dans le même volume de réacteur. 2. Dans les procédés immergés aérobies, comme on les trouve souvent dans les fermentations et dans la clarification biologique des eaux usées, les microorganismes doivent être alimentés suffisamment aussi bien en oxygène qu'en substrats nutritifs. Un procédé favorable du point de vue énergétique pour introduire l'oxygène de l'air, consiste communément à utiliser des injecteurs pour la fourniture du gaz. Le procédé selon l'invention avec réacteur à double boucle a été mis en oeuvre dans une série d'essais pour le traitement biologique des eaux usées, l'in- troduction s'effectuant à l'aide d'injecteurs. Outre une consommation d'énergie avantageuse, on a pu obtenir en raison de la répartition favorable des temps de séjour, une excellente possibilité de régulation du procédé concernant la biomasse, la teneur en matières nutritives, le pH, etc. Tableau Comparaison des durées de séjour dans divers réacteurs à boucles. Changement débit Pression durée nécessaire pour atteindre 90 % de la valeur finale de - à M3/h bar sec L. Eau-addition d'acide Réacteur A 1,5 1,8 16,5 Réacteur B 1,5 0,5 14,0 2,7 1,6 10 2. Acide-addition d'eau Réacteur A 1,5 1,8 370 Réacteur B 1,5 0,6 186 2,7 1,6 35 3. Eau-addition de base Réacteur A 1,5 1,8 17,7 Réacteur B 1,5 0,5 17,5 4. Base- addition d'eau Réacteur A 1,5 1,8 223 Réacteur B 1,5 0,5 186 REVENDICATIONS 10) Procédé pour mélanger et faire réagir des composntsliquides avec d'autre composants liquides, gazeux et/ou solides, suivant un circuit en boucle dans le compartiment de mélange d'un réacteur en boucle, procédé caractérisé en ce que, par l'arrivée et l'évacuation du mélange decomposaits à des endroits séparés dans l'es- pace, à l'intérieur du compartiment de mélange, perpendiculairement au plan de la boucle, le mélange de composants est forcé de suivre un circuit en boucle en forme de spirale, perpendiculaire au plan des boucles. 20) Dispositif pour mélanger et faire réagir descomposaits liquides avec d'autres composants liquides, gazeux et/ou solides, selon la revendication 1, dans un réacteur en boucle avec compartiment de mélange, corps de guidage, organes d'alimentation et d'évacuation pour le mélange de composants dispositif caractérisé en ce que les organes d'alimentation (6) et d'évacuation (7) sont dis posés séparément dans l'espace, dans différents points de l'axe du compartiment de mélange, perpendiculairement au plan de la boucle, et que les corps de guidage (3) de conformation plane, sont en liaison avec les parois du réacteur (5) au moyen de deux parois frontales (4), parallèment au plan des boucles. 30) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les organes d'alimentation (6) et d'évacuation (7) sont disposés dans les corps de guidage (3) et/ou dans les parois du réacteur (1). 40) Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les dimensions du compartiment de mélange (2) sont entre elles dans un rapport longueur : hauteur : largeur de 2 : 2 : 1. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les organes d'alimentation (6) sont conçus sous forme de buses à trous ou de fentes, et les organes d'évacuation (7), sous forme de fentes ou de perçages. 60) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que dans le compartiment de mélange (2), parallèlement au plan des boucles, se trouvent incorporées des parois de guidage. 70) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le compartiment de mélange (9) est réalisé, par incorporation de deux corps de guidage (10, 11) parallèles, et que la disposition appropriée des organes d'alimentation (12) et d évacuation (13), est réalisée sous forme de réacteur en double boucle.