Brevet FR2528324A1 — publié le 19831216

La présente invention a trait au domaine des dispositifs des- tinés à introduire et répartir un fluide gazeux sous pression relative- ment faible au sein d'une masse liquide contenue dans un réacteur de vo- lume et de surface importants Elle concerne plus spécialement un système d'injection de gaz dans un réacteur à faux-fond empli d'une masse liquide à traiter, cette dernière pouvant contenir un lit de matériau granuleux, fixe ou en suspension. On sait que dans les techniques destinées à assurer un mélange ou une mise en contact entre phases différentes, par exemple gaz liquide- solide, on se heurte à de nombreuses difficultés, notamment au plan hy- draulique et en particulier lorsque l'on cherche à créér plusieurs zones d'activités ou d'effets différents au sein de la masse liquide ou d'un mélange liquide-solide. Par exemple, dans le traitement des eaux o l'on effectue des. injections d'air dans des filtres de grande surface à matériaux granuleux avec circulation des fluides dans le même sens, on maitrise bien les phéno- -mènes en utilisant les deux procédés bien connus: soit du "matelas d'air" o l'air et l'eau pénètrent entre le faux-fond (ou support) et le radier (ou base) du filtre puis sont envoyés dans l'eau à traiter, chargée du matériau filtrant, par l'intermédiaire de séries de crépines à orifices calibrés; soit des "raquettes d'air" dans lequel l'air reste canalisé dans des conduites ramifiées, disposées sur la surface du radier, jusqu'à des orifices calibrés prévus sur chaque ramification au droit de crépines sans queue, l'air qui s'échappe des orifices calibrés pénétrant alors avec l'eau de lavage dans les crépines avant de passer dans le matériau filtrant. Toutefîis l S difficultés commencent lorsque l'air doit être uniformemen sà r oute la surtace I envoyé/dans une masse granuleuse à contre-courant d'un liquide traversant lui aussi la masse filtrante Elles deviennent très sérieuses quand il Oinon,, s'agit, en outre, de maintenir dans le litfluidisé/des zones d'activités différentes, par exemple dans le cas d'une filtration biologique o l'air d'oxydation des matières polluées de l'eau doit être insufflé de façon ascendante à un niveau intermédiaire du lit submergé et fixe de matériau filtrant granulaire (voir par exemple les brevets français N 076 21246 et 78 30282) En effet, pour qu'il y ait possibilité d'injection d'air, il faut que la pression de celui-ci soit supérieure à celle de la colonne d'eau en charge sur les points d'injection d'air; l'air ne peut remonter I en bulle dans la masse liquide que si la force liée à la vitesse de l'eau qui filtre en sens inverse (descendant) est inférieure à la pous- sée d'Archimède s'exerçant sous les bulles d'air; or, cette force aug- mente avec le colmatage du filtre et le cheminement de l'air devient vite préférentiel sous forme de "paquets d'air" qui évidemment nuisent au rendement de filtration ou épuration. On peut envoyer l'air par des conduites perforées placées au-dessus du faux-fond du filtre qui supporte les crépines de lavage du matériau colmaté avec le mélange air-eau, ceci de façon à injecter l'air dans la moitié inférieure ou zone active du filtre biologique La mise en place de ces conduites, superposées aux organes classiques du fi donne lieu àun encombrement important du réacteur ou filtre et entraîne des coûts supplémentaires d'installation et de maintenance. Dans un but à la fois de simplification et de recherche de pertes de charges minimum, la Demanderesse a entrepris des séries d'études et expérimentations visant à améliorer notamment la technolo- gie des crépines, par exemple par mise au point de crépines "doubles" comportant une injection d'air interne, séparée du volume libre d'en- trainement air-eau de filtration ou lavage; ou encore en jouant sur le nombre de crépines au m 2 de surface filtrante ou sur les diamètres et longueurs des canalisations d'injection d'air Les résultats ont été décevants; en particulier, la hauteur du matelas d'air sous le faux-fond du filtre (ou réacteur) était excessive et impossible- à maintenir à un taux constant lors des augmentations de débit d'air, du fait que la variation de la perte de charge est proportionnelle au carré du débit d'injection de gaz. A la suite de ces tentatives infructueuses, des re- cherches ont été entreprises dans le but d'assurer une diffusion effec- tive des bulles de gaz au sein de la masse liquide, avec entraînement et circulation de cette dernière, dans une zone située au-dessus du fauxfond du réacteur, ceci de façon telle que la hauteur du matelas de gaz sous le faux-fond, o a lieu l'injection de gaz, ne dépende plus que de la variation du débit gazeux pour un état de colmatage donné. Il a maintenant été trouvé que de tels résultats pouvaient être obtenus, selon l'invention, grâce à une technologie selon laquelle le faux-fond du réacteur emprisonne sur toute sa surface une série d'ajutages, à orifice de très faible diamètre, faisant chacun 252832-4 corps avec un tubeimmergé dans la masse liquide à traiterdont la base perforée repose sur le faux-fond et dont l'extrémité supérieure fermée est munie de fentes. En pratique, chaque aju'-tage qui sert de point d'in- troduction du fluide gazeux dans le réacteur débouche sensiblement au ras du faux-fond (ou plancher) de ce dernier et possède un diamè- /calctlt er S foction du débit et qui peut varier/ tre très pe itlavantageusement entre 0,2 et 4 mm Le tube qui pro- longe l'ajutage s'élève à une certaine hauteur au-dessus du faux-fond, généralement entre 10 et 50 cms environ, de façon à déboucher par son extrémité supérieure, dans la zone active du réacteur - Grâce aux perforations prévues à la base et sur le pourtour du tube, par exemple de diamètres variant entre 1 et 5 mm et de préférence 2 à 3 mm, chaque ensemble tube-ajutage ou "busette" joue le rôle d'un régulateur hydraulique: le gaz, issu d'une canali- sation générale d'amenée dans le faux-fond du réacteur et qui s'engage dans l'orifice des ajutages, assure dans chaque tube, o le liquide pénètre par les perforations à la base, une circulation de fluide suf- fisante pour'rompre de manière permanente l'homogénéité de la phase gazeuse en circulation; la phase gazeuse discontinue et non homogène est ainsi guidée jusqu'à l'extrémité supérieure du tube et les bulles de gaz débouchent, par les fentes du tube, à un niveau du liquide cor- respondant à la zone active désirée Ainsi, dans le système selon l'in- vention, tout se passe au point de vue niveau de pression comme si la diffusion du gaz s'effectuait directement au niveau du faux-fond du réacteur, mais avec les avantages d'une hauteur de matelas d'air très réduite ce qui permet de réduire sensiblement la hauteur totale du réac- teur et de diminuer ainsi les coûts de fabrication. Conformément à une variante de réalisation, la busette précitée a une conformation type Venturi et revêt donc la forme, au ni- veau de la base du tube, d'un double cône convergent-divergent dans l'étranglement duquel sont situées les perforations de circulation de la masse liquide du réacteur. Selon un mode d'exécution particulièrement avantageux dans le cas o l'invention est mise en oeuvre pour la purification d'eau par voie biologique avec insufflation d'air ou d'oxygène à un certain niveau de la masse liquide munie d'un lit de matière granuleuse immer- gée, les séries de busettes précitées peuvent alterner avec des séries de crépines classiques, disposées sur le faux-fond du réacteur, desti- nées à assurer le drainage de l'effluent traité et le passage de l'air et de l'eau de lavage pour assurer, par intermittence, la régénération du lit biologique et/ou de filtration. L'invention sera mieux comprise par une description plus détaillée de modes de réalisation non limitatifs, appliqués au cas précité d'une purification biologique de l'eau et illustrés par les dessins schématiques qui représentent: Figure 1: deux exemples de réalisation (A et B) du dispositif d'injection de fluide gazeux selon l'invention; Figure 2:une autre variante d'exécution du dispositif; Figure 3: des courbes illustrant la hauteur du matelas de gaz sous les ajutages d'injection, en fonction du débit de gaz injecté dans les busettes, selon un exemple d'application. Dans les exemples d'expérimentations schématisée sur ces figures, on a travaillé sur des cas de purification biologique d'eau dans Jes réacteurs ou filtres 1 contenant au-dessus d'un faux-fond 2 un mélange de la masse d'eau 3 à traiter et d'un lit fixe immergé de maté- riau granulaire 4; l'eau circulant à courant descendant alors que l'on injecte de bas en haut de l'air ou oxygène issu d'une canalisation 5 disposée sous les faux-fond ou plancher 2; le problème technique bien uniforme spécifique à résoudre étant d'obtenir une diffusion d'air (ou oxygène)/ non pas à la base du lit mais à un certain niveau H correspondant à une zone spéciale d'activation. La solution à ce problème, conformément à l'invention, consiste à installer à intervalles réguliers sur toute la surface du faux-fond 2 des séries de busettes 6 constituées par des éléments cylin- driques 7 munis de perforations 8 à leur base et de fentes 9 à leur par- tie supérieure et qui sont prolongés par des microtubes 10 insérés dans le faux-fond 2 et dont l'orifice de très faible diamètre débouche pra- tiquement au ras de ce faux-fond (voir figure 1 partie A de gauche) En pratique, les orifices peuvent varier de façon 'générale entre 0,2 et 4 mm et se trouver avantageusement de l'ordre de 0,8 à 1,5 mm Par ail- leurs, le diamètre intérieur du cylindre 7 peut être de l'ordre de 20 à 30 mm, avec une hauteur variable, par exemple comprise entre 10 et 50 cms dans les essais d'application susvisés Quant au diamètre des per- forations 8, il est généralement de l'ordre de 2 à 3 mm environ On peut ainsi disposer entre 40 et 120 busettes selon l'invention par m 2 de faux-fond du réacteur. Selon la variante illustrée dans la partie droite (B) de la figure 1, les busettes peuvent avoir la conformation de tubes Venturi 6 ', auquel cas les perforations 8 ' sont alors prévues dans la partie commune des deux cônes convergent-divergent. Dans la réalisation de la figure 2, qui entre également dans le cadre de l'invention, on a installé en alternance dans le faux- fond 2 du réacteur d'une part des busettes de type 6 (ou de type 6 ') et d'autre part des crépines 11, de modèle bien connu en soi, qui servent notamment à drainer le liquide traité (ici l'eau purifiée)" la base du réacteur, avec évacuation en 12 ainsi qu'à l'insufflation par le bas de l'air et du liquide de lavage lorsqu'il s'agit de régénérer le lit granulaire situé au-dessus du faux-fond 2 On notera que, dans le cas o ces crépines n'existent pas (figure 1) l'évacuation du liquide trai- té s'effectue à la base de la masse liquide, juste au-dessus du faux- fond. L'insertion des busettes 6 (ou 6 ') et éventuellement cré- pines 11 dans le faux-fond 2 peut se faire par l'intermédiaire de joints 13 lorsque celui-ci est réalisé en béton ou fibrociment Toutefois, il peut être avantageux de prévoir un faux-fond en matière plastique mou- lée (par exemple en chlorure de polyvinyle ou autre) de façon à emman- cher directement en force, sans joint, les tubes inférieurs des busettes et crépines. En fonctionnement, le gaz (par exemple l'air) faiblement comprimé, qui pénètre dans les petits orifices 14 des busettes, entrai- ne par sa vitesse dans le tube de guidage 7 une aspiration de l'eau 3 par les perforations 8; cette eau, en se mélangeant au gaz d'injection, ronipt l'homogénéité de la veine gazeuse quçse transforme dans le tube 7, et notamment à la sortie de celui-ci par les fentes 9, en un chapelet de bulles lesquelles servent à l'activation de la zone H du réacteur. Il a pu être établi, par les divers essais, que le matelas utile d'air 15 situé sousle faux-fond 2 restait toujours très faible du fait que la mise en oeuvre du système selon l'invention entraîne des pertes de charges très faibles Par exemple ce matelas utile était de 29 cms environ pour un débit d'air de 220 litres/heure par busette (correspondant pour 90 busettes/m 2 de faux-fond à 2 Cm 3/m 2/h d'air) avec des orifices d'entrée d'air 14 de diamètre 1,1 mm et avec les autres ca- ractéristiques suivantes diamètre intérieur du tube 7: 20 mm; perforations 8 de 2,5 mm 6 2528324 de diamètre; longueur du tube au-dessus du faux-fond: 0,25 m charge d'eau au-dessus du faux-fond; 2,45 m. On peut voir sur le graphique de la figure 3 quelques variations de la hauteur du matelas d'air (ordonnée M exprimée en centimètres pa>rap- port à la ligne pointillée L représentant le niveau du faux-fond) par rapport au débit d'air D porté en abcisse et exprimé en litres par heure et par busette Les courbes a, b et c correspondent respective- ment à des diamètres d'orifices ( 14) respectivement de 1, 1,2 et 1,3 mm et elles sont indiquées, bien entendu, à titre illustratif. -R E V E N D I C A T I 0 N S- 1 Réacteur de volume ou de surface important, destiné à l'injection et à la répartition de fluide gazeux dans une masse liqui- de à traiter, pouvant renfermer un lit de matériaux granuleux, du type comportant à une certaine distance de sa base un faux-fond ( 2) muni d'ouvertures et/ou de crépines pour l'introduction du fluide gazeux et l'évacuation du liquide traité, le réacteur ( 1) étant caractérisé en ce que le faux-fond ( 2) emprisonne sur toute sa surface une série d'ajutages ( 10), à orifice ( 14) de très faible diamètre, faisant corps chacun avec un tube ( 7), immergé dans le liquide ( 3), dont la base per- forée ( 8) repose sur le faux-fond et dont l'extrémité supérieure fermée est munie de fentes ( 9) d'o s'échappent les bulles gazeuses destinées au traitement de la zone (H) de masse liquide - 2 Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ajutage ( 10), servant de point d'introduction du fluide ga- zeux dans le réacteur, débouche sensiblement au ras du faux-fond ou plan- cher( 2) et a un diamètre interne d'orifice de 0,2 à 4 mm. 3 Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la hauteur du tube ( 7) au-dessus du fauxfond ( 2) est comprise entre 10 et 50 cms et en ce que les perforations ( 8) prévues sur ce tube ont des diamètres de 1 à 5 mms. 4 Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube ( 7), au lieu d'être cylindrique, revêt une conformation type Venturi avec cônes convergent-divergent, les perforations ( 8 ') étant alors situées dans l'étranglement entre lesdits cônes. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on fait alterner au niveau du faux-fond ( 2) du réacteur ( 1) des séries d'ensembles tube ( 7) ajutage ( 10),ou buset- tes ( 6,6 ') avec des séries de crépines ( 11) de type connu destinées no- tamment à l'évacuation du liquide traité. 6 Application du réacteur, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, à la purification biologique des eaux ( 3) dans un lit immergé fixe de matériau granulaire ( 4) par insufflation d'air ou d'oxygène issu d'une canalisation d'amenée ( 5) au niveau d'une zone active (H) du lit, l'eau purifiée étant évacuée (en 12) sous le faux- fond ( 2) du réacteur.