Brevet FR2530484A1 — publié le 19840127

Procédé et dispositif pour la dissolution de gaz dans un liquide. De nombreux procédés physicochimiques utilisent, pour introduire un gaz dans un milieu réactionnel, la dissolution de ce gaz sous pression dans un liquide. Les lois de la dissolution (Loi de Henry par exemple) montrent que le volume de gaz dissous par volume de liquide est proportionnel à la pression partielle de ce gaz (à température constante). il est connu depuis très longtemps de comprimer au-dessus du liquide le gaz à dissoudre pour augmenter la pression partielle. Cette solution a l'inconvénient d'une dépense d'énergie importante pour comprimer le gaz à une pression suffisante. Une solution a été proposée par le brevet français n0 2 206 985 où l'on décrit un procédé de dissolution d'air dans l'eau. De l'eau sous pression est introduite par une tuyere dans le convergent diun venturi et y entraine de ltair. Ce mélange eau plus air est introduit dans un réservoir s-ous pression où l'air entratné est dissous par l'eau. L'air non dissous sort par une soupape et est perdu. Ce procédé, utilisant une pression jusqu'à 9 bars, nécessitait de concevoir un matériel adapté à cette pression parois épaisses, fonds bombés trous d'homme, etc. avec obligation légale de vérification et tests par un service officiel pour garantir la sécurité. La présente invention a pour caractéristique d'utiliser de l'eau à une pression identique mais dans du matériel standard avec un rendement accru de dissolution pour divers gaz, lesdits gaz étant introduits dans l'appareil à la pression atmosphérique, comme dans le procédé précédemment cité. Une autre caractéristique importante-de l'invention est de recycler les gaz non dissous au lieu de les rejeter à l'extérieur, ce qui permet d'améliorer le rendement. La présente invention concerne donc un procédé de dissolution dtun gaz entratné par un liquide sous pression circulant dans un venturi (ou autre dispositif analogue) caractérisé en ce que, à la sortie du venturi, le liquide solvant chargé du gaz à dissoudre est envoyé dans une canalisation où le liquide circule en régime turbulent, ladite canalisation débouchant à la base d'un décanteur vertical d'od sont extraits, d'une part, une phase liquide saturée en gaz, d'autre part, au sommet du décanteur, le gaz non dissous en excès qui peut être recyclé vers le venturi. L'invention concerne également le dispositifuti- lisable pour la mise en oeuvre dudit procédé, ce dispositif comportant - un injecteur alimenté par au moins un liquide sous pression et par au moins un gaz qui est entratné par ledit liquide; - une canalisation recevant le mélange des fluides qui sort de ladite tuyère, ladite canalisation étant prévue de façon que ledit mélange y circule en régime turbulent; - et un décanteur vertical recevant à sa base le mélange de fluides sortant de ladite canalisation et comportant une sortie d'eau saturée de gaz et une sortie du gaz en excès. Ledit gaz en exces, sortant en tette du décanteur, peut avantageusement etre recyclé vers la tuyère. Il va sans dire que ladite canalisation doit être suffisamment longue pour que le temps de séjour du mélange du fluide permette une dissolution souhaitée du gaz dans le liquide. En fin de canalisation, on sépare le liquide saturé de gaz dissous et le gaz en excès. Ledit gaz est recylcé au niveau de'la tuyère. Le liquide est introduit à une pression de préférence égale ou inférieure à 9 bars dans la tuyère, et le gaz est introduit à une pression qui peut etre égale à la pression atmosphérique. il est à noter que le procédé peut fonctionner avec une phase liquide constituée d'un mélange. Il en est de même pour la phase gazeuse. Il stensuit que le procédé peut aussi bien servir à saturer la phase liquide d'un gaz dissous qu'à dissoudre sélectivement un gaz présent dans la phase gazeuse. L'invention sera mieux comprise en se référant aux explications ci-après; ces explications sont illustrées sur les figures 1 et 2 qui décrivent schématiquement un dispositif selon l'invention. En se reportant à la figure 1, on suit la description d'un dispositif particulièrement approprié à la mise en oeuvre du procédé. Une pompe l, par exemple du type centrifuge, actionnée par un moteur (non représenté) aspire un liquide dans un réservoir 2 et la refoule dans un injecteur 3 compose d'un convergent, d'un col et d'un divergent (dans l'ordre de déplacement de 13 phase liquide). Au niveau du col, une tubulure 5 permet d'introduire la phase gazeuse à dissoudre. L'inJecteur introduit le mélange liquide-gaz dans une canalisation 4. Cette cana-lisation est composée d'un tube standard de -diamètre compris entre 20 et 100 mm et de préférence entre 25 et 52 mn. Le matériau constitutif de la canalisation pourra être de l'acier ordinaire ou galvanisé ou de la fonte si on utilise les tubes standards d'adduction d'eau.On peut également utiliser des tubes en acier inoxydable ou des tubes en matières plastiques, surtout dans le cas de liquides ou gaz corrosifs. La nature du tube est à choisir en fonction des besoins pour chaque utilisation et les exemples donnés ne restreignent en rien la généralité du procédé. Le choix des dimensions dé la canalisation sera explicité ultérieurement. La forme de la canalisation est de peu d'importance on peut la choisir rectiligne ou coudée une ou plusieurs fois. La canalisation peut être d'une orientation quelconque par rapport à la verticale mais lrexpérience a montré à la demanderesse que la forme représentée sur la figure l était particulièrement avantau geuse. On a représenté une canalisation repliée sur elle-màme > ce qui diminue l'encombrement et privilégie en outre l'écoulement tourbillonnaire. Les branches sont verticales, alternativement ascendantes et descendantes. La canalisation est suivie d'un décanteur 6 constitué d'un cylindre de diamètre sensiblement double de-celui de la canalisation, d'une longueur de 2 mètres Quelles que soient la forme et l'orientation de la canalisation, le décanteur doit être vertical et alimenté par la canalisation 4 à sa partie inferieure, Le- décanteur a pour objet de séparer la phase liquide saturée de gaz, éliminée par# la tubulure basse 7, et la phase gazeuse en excès récupérée par la tubulure 8. Une vanne 9 placée sur cette tubulure permet de diriger tout ou partie des gaz extraits, soit par la tubulure 10 vers un ajutage 12 placé sur l'injecteur 3 où ils sont recyclés > soit, pour une utilisa tion extérieure, par par tubulure 11. La figure 2 représente un cas particulier de construction de la canalisation en branches parallèles. Une branche ascendante 21 est soudée à un coude 22 à 900, lui-même soudé à un coude 23 à 900 (en conservant le sens de courbure), lui-même soudé à une branche descendante 24 sensiblement parallèle à la branche 21. On peut également réunir les branches et coudes par des raccords standards, des brides, etc. De tels cas sont à la portée de tous et n'ont pas été représentés. Pour choisir les dimensions de la canalisation, dans cette ca#nalisation on recherche un brassage énergique du mélange des phases liquide et gazeuse injectées, ce qui implique un régime turbulent d'écoulement, sinon un écoulement laminaire amènerait à véhiculer des bulles gazeuses dans le liquide jusqu'au bout de la canalisation. Ce régime turbulent peut entre obtenu lorsque les conditions. sont telles que le nombre de REYNOLDS de l'écoulement est supérieur à 2000 environ. Dans une conduite de diamètre D = 2,5 cm (intérieur) où circule de l'eau à la vitesse moyenne de 50 cm/s, le nombre de Reynolds R est égal à 3125, car la viscosité cinématique de l'eau est de 0,01 stoke à la température ambiante (exactement 20 > 20C en fait). Quand le régime est tourbillonnaire, les bulles de gaz de diamètre d ont une vitesse ascens#ionnelle W qui est donnée par la loi de Newton où g est l'accélération de-la pesanteur = 981 cm/s/s d le diamètre de la bulle (cm) m la masse spécifique du liquide m' la masse spécifique du gaz constituant la bulle. m et m' sont à exprimer dans la même unité, m' étant compté à la pression du liquide et non à la pression atmosphérique. On peut, en faisant une erreur faible, ne pas tenir compte du facteur qui est pratiquement toujours compris entre 0,99 et 1 quels que soient le liquide et le gaz. On écrira donc plus simplement : Par exemple, dans la conduite précédente où le liquide circule à 50 cm/s, les bulles de diamètre inférieur à (5Q/51) = 0,96 cm sont entrainées. On admettra donc que, comme la grande majorité des bulles de gaz est de diamètre très inférieur à 1 cm, toutes les bulles sont bien entraînées par le courant liquide. Ce fait est nécessaire car, sinon, il y aurait accumulation de gaz aux points hauts de la canalisation. Il est également important de déterminer la longueur totale de la canalisation. Pour cela on a déterminé expérimentalement que la perte de charge de la canalisation ne devait pas dépasser 2% de la pression d'entrée, sinon le recyclage était moins efficace. C'est dire que si la pression d'entrée est de 4 bars avec 6 p de 0,02 on peut estimer que la longueur de ladite canalisa- tion sera d'au plus environ 30 mètres. Pour ce qui concerne l'injecteur (tuyère) on utilise un dispositif classique comportant l'amenée du gaz par me tubulure latérale débouchant à peu près au niveau du col séparant le convergent du divergent de ladite tuyère. En pratique la tubulure amenant le gaz recyclé est placée de préférence après le col et débouche dans le divergent, entre le col et la moitié de la longueur du divergent. Une position particulièrement avantageuse de cette tubulure de recyclage est à une distance du col comprise entre Ojl et 0,25 fois la longueur du divergent, c'est-a-dire entre le dixième et le quart de la longueur du divergent. Les exemples non limitatifs ci-après illustrent l'invention. Exemple 1 On utilise le dispositif-décrit sur les figures 1 et 2 avec comme liquide l'eau et comme gaz de l'air. Une pompe débite 1000 litres/heure d'eau froide à 4 bars dans un injecteur suivi d'une canalisation de 25 mm de diamètre intérieur. On compose cette canalisation de 10 longueurs de 2,5 mètres verticales avec 20 coudes à 900 pour les réunir. La vitesse de l'eau est de 56,6 m/s, d'où un nombre de Reynolds R = 3536, donc régime turbulent avec entraînement des bulles de diamètre inférieur à 1,2 cm, ce qui est largement suffisant. La perte de charge dans la canalisation est inférieure à 0,04 bar. Un dosage montre que l'eau extraite par la tubu 3 lure 7 contient en solution 53,9 litres d'air par m . La saturation (aux températures ordinaires) correspond à la dissolution de 3 3 18,7 litres par m à 1 bar soit 74,8 litres par m à 4 bars; il s'ensuit que le rendement de dissolution atteint la valeur remarquable de 72%. La mise en oeuvre du procédé se fait avec une dépense énergétique très réduite puisqu'il n'y a consommation d'énergie que par la pompe à eau, sans nécessité de comprimer de l'air. I1 est facile, dans certains cas, de recycler l'eau, ce qui diminue encore la dépense. Exemple 2 Dans le. dispositif décrit à l'exemple 1, on peut séparer moyennant une faible dépense énergétique les biogaz produits par un fermenteur anaérobie, On connaît bien ces appareils qui produisent un mélange méthane-gaz carbonique à partir de résidus organiques très divers : fumier, tourteaux de canne à sucre, vinasses, etc, Les procédés utilisés jusqu'ici pour épurer le méthane demandaient une compression à 50 bars suivie d'une détente pour éliminer le gaz carbonique. On injecte un mélange 65% méthane - 35% C02 par la tubulure 5 à raison de 1 m /heure dans de l'eau à 90C. L'eau sortant par la tubulure 7 contient 350 litres de C02 dissous au mètre cube, soit un rendement de dissolution à 4 bars de 69%. Après détente à la pression atmosphérique, l'eau ne contient plus que 125 litres de C02 par mètre-cube et est recyclée par la pompe. Donc, chaque mètre cube d'eau circulant (en une heure) dissout 225 litres de C02 sur les 350 litres présents dans le mélange injecté. On élimine ainsi 64%du C02 présent. Le gaz sortant en haut du décanteur contient donc 650 litres de méthane et 125 litres de gaz carbonique et sa composition en méthane est passée de 65% à 84% au prix d'une dépensé énergétique de l'ordre de 1 kW heure. La valorisation de ce biogaz est donc très intéressante en un seul passage. Avec recyclage, on réussit à produire en continu, à condition de rejeter 25% de l'eau (qui n'a pas le temps de se désaturer en gaz carbonique et qui se réchauffe), de rajouter 25% d'eau neuve, un biogaz contenant pratiquement 90 de méthane. On peut utiliser avec profit le procédé et le dispositif décrits pour comprimer, sans utiliser de compresseur à gaz, des produits gazeux corrosifs à quelques bars. On citera sans que cela soit une limitation, le bioxyde de chlore et le chlore. La phase liquide pourra être constituée par une huile minérale ou des solvants chlorés, en particulier les hydrocarbures chlorés. Une installation de taille plus modeste fonctionnant en circuit fermé permet de dissoudre de l'acétylène dans de l'acétone. REVEbfl) ICATIONS 1. Procédé de dissolution d'un gaz entraîné par un liquide sous pression circulant dans un venturi (ou autre dispositif analogue) caractérisé en ce que, a la sortie du venturi, le liquide solvant chargé du gaz à dissoudre est envoyé dans une canalisation où le liquide circule en régime turbulent, ladite canalisation débouchant à la base d'un décanteur vertical d'où sont extraits, d'une part, une phase liquide saturée en gaz, d'autre part, au sommet du décanteur, le #gaz non dissous en excès q#ui peut être recyclé vers le venturi. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utiiisé pour obtenir de l'eau saturée d'air sans utilisation d'air comprimé. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la dissolution, dans l'eau, de biogaz. 4. ' Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu il est utilisé pour un liquide choisi parmi les huiles minérales et les hydrocarbures chlorés et que le gaz est un gaz corrosif tel que le chlore ou le bioxyde de chlore. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte - un injecteur (3) alimenté par au moins un liquide sous pres sion (2-1) et par au moins un gaz (5) - une-canalisation (4) prévue de façon que le mélange -de liquide et de gaz y circule en régime turbulent - et un décanteur (6) vertical recevant le mélange de fluide sortant de la canalisation et comportant une sortie (7) de liquide saturé de gaz et au moins une sortie (8) de l'excès de gaz. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit excès de gaz est recyclé (10) vers l'injecteur (3). 7. Dispositif selon l'une des revendications ; et o, caractérisé en ce que la tubulure du recyclage (10) débouche dans le divergent de l'injecteur (3) à une distance du col comprise entre le dixième et le quart de la longueur du divergent. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la canalisation (4) est calculée de façon que la# perte d e charge, dans cette canalisation, ne dépasse pas 2% de la pression du liquide à l'entrée de l'injecteur.