Brevet FR2550954A1 — publié le 19850301

-1 Procédé de dégazage d'un liquide L'invention concerne un procédé de dégazage d'un liquide. De manière générale ce procédé s'applique à un liquide contenant un gaz gênant en solution et il vise à abaisser la concentration de ce 5 gaz jusqu'à une concentration finale inférieure à sa concentration initiale Plus particulièrement, il peut souvent s'agir de diminuer fortement la concentration de l'air naturellement dissous dans une masse d'eau qui a été longtemps au contact de l'atmosphère Les échanges d'air entre l'eau et l'atmosphère ont alors conduit à un équilibre et la 10 concentration initiale est alors la concentration de saturation correspondant à la pression atmosphérique On sait en effet que, lorsqu'un liquide susceptible de dissoudre un gaz est en contact avec un milieu gazeux contenant ce gaz, des échanges de gaz se font continuellement à travers l'interface entre les phases liquide et gazeuse, et tendent 15 constamment à rapprocher la concentration du gaz dans le liquide d'une concentration dite de saturation On sait aussi que cette dernière est une fonction croissante de la pression du gaz dans le milieu gazeux et que la masse de gaz échangée chaque seconde à travers l'interface est proportionnelle à l'aire de cette dernière. Les buts du dégazage peuvent être divers, par exemple limiter des réactions chimiques auxquelles le gaz dissous pourrait prendre part, ou éviter la formation trop facile de poches gazeuses dans le liquide lorsqu'il sera soumis ultérieurement à des dépressions localisées, par exemple par les pales d'une hélice. Un procédé de dégazage connu et appliqué à de l'eau contenant de l'air est constitué par une opération d'échange de masse en dépression au cours de laquelle le liquide à dégazer est placé dans une enceinte de séparation à surface libre Le milieu gazeux au-dessus du liquide est aspiré pour y abaisser la pression du gaz gênant à une valeur de dégazage 30 inférieure à sa pression de saturation correspondant à la concentration finale souhaitée et, cette pression de dégazage est maintenue le temps nécessaire à l'obtention de cette concentration finale par échange de masse à travers l'interface entre les phases liquide et gazeuze. Dans ce procédé connu l'interface entre les phases liquide et 35 gazeuse est constituée par la surface libre plane et horizontale du -2 liquide Ce procédé connu applicable à l'eau présente l'inconvénient d'exiger un temps très long lorsqu'on veut dégazer une masse d'eau importante sans augmenter exagérément les dimensions horizontales de l'enceinte de dégazage. La présente invention a pour but d'obtenir à faible coût une vitesse de dégazage élevée dans une enceinte de dégazage de dimensions horizontales limitées et de construction simple. Elle a pour objet un procédé de dégazage d'un liquide, ce procédé comportant ladite opération d'échange de masse en dépression, et étant 10 caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une opération d'in Jection de bulles dudit gaz gênant lui même dans le liquide non dégazé de manière à augmenter l'aire de l'interface entre les phases liquide et gazeuse pendant l'opération d'échange en dépression, et à accélérer ainsi l'échange de masse. Selon une disposition préférée lesdites bulles sont des microbulles de diamètre non sensiblement supérieur à 100 micromètres de manière que ces bulles présentent une faible vitesse ascensionnelle initiale dans le liquide et créent une grande aire d'interface avec un faible débit d'injection de gaz. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ciaprès, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques Lorsqu'un même 25 élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'un circuit hydraulique mettant l'invention en oeuvre. La figure 2 représente une vue d'un injecteur de microbulles de ce 30 circuit en coupe par deux plans passant par l'axe central de cet in Jecteur, selon la ligne II-II de la figure 3. La figure 3 représente une vue de l'in Jecteur de la figure 2 en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe central de cet injecteur, selon la ligne III-III de la figure 2. Le circuit hydraulique décrit à titre d'exemple est celui d'un tunnel d'essais hydrodynamiques dans lequel l'eau mise en vitesse doit interagir mécaniquement avec des maquettes d'organes hydrauliques au cours d'étude Ces maquettes ayant des dimensions réduites par rapport à l'organe hydraulique à construire, les phénomènes de cavitation susceptibles de se produire au contact de l'organe réel futur ne peuvent être 5 simulés correctement qu'avec une eau présentant une teneur diminuée en air dissous. L'eau du circuit présente par exemple une concentration initiale d'air dissous correspondant à la saturation sous pression atmosphérique La concentration en air doit être abaissée de 80 % avant les essais Un tel 10 dégazage nécessite par exemple plus de 50 heures pour un volume d'eau de 270 m 3 avec les technique classiques. Ce circuit comporte une partie principale à quatre branches 1, 2, 3, 4, la branche 1 étant en haut Une pompe 6 de forte puissance est destinée aux essais Elle est disposée dans la branche basse 3, à 15 m au 15 dessous de la branche 1 Le sens de circulation de l'eau est représenté par des fléchés F Pendant le dégazage l'eau circule dans le même sens à faible débit, par exemple 0,5 m 3/s Cette eau constitue le liquide à dégazer, le gaz gênant étant l'air. Conformément à l'invention, le procédé de dégazage applicable à un 20 liquide en circuit fermé comporte les opérations suivantes: Prélèvement d'une fraction du débit dudit liquide, cette fraction étant appelée "fraction pour injection" Cette fraction représente par exemple ici 20 1/s Elle circule dans une canalisation 8. Pressurisation de cette "fraction pour injection" à une pression d'in25 jection supérieure au double de la pression de dégazage Cette pressurisation se fait ici sous 3 bars ou 4 bars, absolus grâce à une pompe 10 disposée entre deux vannes 12 et 13, alors que la pression de dégazage régnant dans la branche 1 est de 0,1 bar. Prélèvement d'une fraction 14 du débit dudit liquide, cette fraction 30 étant appelée "fraction pour engazage" et circulant dans une canalisation 14 munie d'une vanne 16. Engazage de cette "fraction pour engazage", cette opération étant réalisée dans une enceinte d'engazage 18 alimentée en ledit gaz gênant et soumise à une pression d'engazage supérieure à la pression d'injec35 tion Cette opération est prévue pour dissoudre ce gaz dans ce liquide à une concentration supérieure au double de la concentration initiale, et pour transformer cette fraction en une fraction "surengazée" Plus particulièrement la pression est ici de 7 bars et est créée par une pompe 20 La concentration obtenue est ainsi 7 fois plus importante que 5 la concentration qui serait obtenue en saturant le liquide de gaz à la pression atmosphérique. Détente progressive et réglable de cette fraction surengazée pour la mélanger en proportion réglable à la "fraction pour injection" et pour fournir ainsi un mélange d'injection présentant une concentration d'in10 jection sensiblement constante en ledit gaz gênant Cette détente jusqu'à la pression d'injection est ici assurée par une succession de vannes 22 Elle doit être progressive pour éviter la formation prématurée de bulles dans le liquide ainsi sursaturé en gaz. Injection de microbulles Cette opération se fait à l'aide de cinq in Jec15 teurs 24 qui seront décrits plus loin et qui font pénétrer le mélange à travers des trous d'injection dans une enceinte d'injection 26 placée en série sur la branche 1 à son extrémité amont Un hublot d'observation non représenté permet d'observer les nuages 27 formés par les microbulles injectées On régle les vannes 22 en fonction de l'importance de ces 20 nuages. Et échange de masse en dépression Cette opération se termine à l'extrémité aval de la branche 1, dans une enceinte de séparation 28 présentant une surface libre de quelques m 2 Le milieu gazeux au-dessus de cette surface est constitué par un mélange d'air et de vapeur d'eau Il 25 est aspiré par une pompe 30 maintenant la pression de dégazage. Le temps de transit de l'eau entre les enceintes d'injection et de dégazage est ici par exemple de 20 s Il doit ne s'accompagner d'aucune perte de charge importante. Selon les figures 2 et 3 chaque injecteur comporte un grand nombre 30 de trous d'injection TI, par exemple 36, de manière à permettre d'injecter un grand nombre de microbulles par seconde. Plus précisément il comporte: un tube d'entrée TE recevant le mélange d'injection liquide sous pression et présentant la forme d'un cylindre de révolution autour d'un axe 35 central AC, la paroi latérale cylindrique de ce tube constituant une paroi d'injection et étant percée d'un ensemble de plusieurs trous dfinJections TI répartis sur sa surface, et un tube déflecteur TD entourant coaxialement le tube d'entrée en. laissant un intervalle de passage annulaire IP. Ce tube déflecteur constitue une paroi déflectrice devant chacun des trous d'injection TI Il est percé d'un ensemble de plusieurs trous de sortie TS répartis sur sa surface pour permettre la sortie du liquide in Jecté dans cet intervalle de passage Ces trous de sortie sont situés à distance des trous d'injection Leur ensemble fournit au liquide une 10 section de sortie totale multiple (au moins double) de la section de passage offerte au liquide dans l'intervalle de passage autour de l'ensemble des trous d'injection La section de sortie en question est bien entendu, pour chaque trou de sortie, la plus petite de deux sections de passage, l'une étant la section dans l'intervalle de passage sur le bord 15 du trou, l'autre étant la section du trou Cette disposition a pour but que la section de passage limitant le débit du liquide injecté soit limitée autour des trous d'in Jection et non au voisinage des trous de sortie. De préférence l'épaisseur dudit intervalle de passage est infé20 rieure au dixième du diamètre des trous d'injection TI et l'ensemble des trous de sortie TS présente une section de passage totale supérieure à celle de l'ensemble des trous d'in Jection. De préférence encore, les trous d'injection TI ont un diamètre individuel compris entre 2 et 10 mm, par exemple 3 mm, et ils sont régu25 lièrement répartis sur au moins une zone de la surface latérale du tube d'entrée TE, par exemple sur toute cette surface Quant à l'intervalle de passage entre le tube d'entrée TE et le tube déflecteur TD, il a une épaisseur sensiblement constante comprise entre 0,1 et 0,5 mm, par exemple 0,15 mm. Ces choix résultent du fait que le taux de vide, c'est-à-dire le rapport du volume total des bulles à celui du liquide, est d'autant plus grand que l'intervalle IP est plus étroit et que les trous d'injection TI ont un diamètre plus petit, mais qu'un intervalle trop étroit ou des trous trop petits créent des risques importants d'obstruction. Les trous de sortie TS sont régulièrement répartis sur toute la zone du tube déflecteur TD en regÉrd des trous d'injection, et sont par exemple intercalés entre ces trous d'in Jection sur toute la surface latérale des tubes TE et TD. Les trous d'injection sont par exemple répartis en étages se suc5 cédant régulièrement selon la longueur de l'axe central AC et sont répartis à chaque étage selon une succession angulaire régulière tout autour de cet axe, et des trous de sortie sont eux aussi répartis en étage au sein de chacun desquels ils forment une succession angulaire de même pas que celle des trous d'injection avec un décalage angulaire d'un 10 demi pas Les pas axiaux des deux successions d'étages sont les mêmes, les étages des trous de sortie étant en coincidence comme représentés avec ceux des trous d'in Jection, ou décalés d'un demi pas axial Les trous de sortie ont un diamètre de 10 mm environ. De préférence un guide de sortie GS est fixé sur le tube déflec15 teur TD en regard de chaque trou de sortie TS pour orienter le flux liquide sortant de ce trou et contenant des microbulles selon une direction voisine de celle de l'axe central AC. Plus particulièrement, un guide de sortie GS est formé à chaque étage de trous de sortie par une paroi tronconique de révolution autour 20 de cet axe avec une petite base circulaire fixée sur le tube de sortie à distance des trous de sortie de cet étage, les guides de sortie tronconiques des étages successifs présentant tous sensiblement un même demi angle au sommet inférieur à 450, Ce demi angle au sommet est par exemple voisin de 200. La figure 3 fait de plus apparaître des séparateurs de Jet SJ réunissant radialement chaque guide de sortie GS au tube déflecteur TD, et se succedant angulairement, entre les trous de sortie TS. L'in Jecteur comporte encore un cône de réception CR de révolution autour de l'axe central AC, entourant l'ensemble des guides de sortie GS 30 et présentant un angle au sommet de même sens et non supérieur à celui de ces guides pour guider l'ensemble des écoulement sortant des trous de sortie selon une direction moyenne parallèle à l'axe central AC vers l'enceinte EC. L'injecteur comporte enfin un déflecteur tronconique général DG de 35 révolution autour de l'axe central AC, avec sa petite base se raccordant 7 à la paroi latérale du tube déflecteur TD en aval des guides de sortie GS et avec un demi angle au sommet de même sens et supérieur à celui de ces guides pour répartir dans l'enceinte EC l'écoulement sortant du cône de réception CR. Le tube déflecteur TD est monté de manière à pouvoir tourner autour de l'axe central AC par rapport au tube d'entrée TE pour permettre le nettoyage des trous d'injection TI et de l'intervalle de passage entre ce tube TD et le tube d'entrée TE Cette rotation est permise sans perte d'étanchéité grâce à deux joints toriques JE et JF disposés en 10 amont des trous d'injection et de sortie entre d'une part le tube déflecteur TD et un bâti de support fixe BS et d'autre part entre ce tube déflecteur et le tube d'entrée TE. C'est par l'intermédiaire de ce déflecteur général que l'on peut faire tourner facilement le tube déflecteur TD. L'in Jecteur qui vient d'être décrit permet d'obtenir un taux de vide de 1 % avec des bulles de diamètre voisin de 0,1 mm Son débit d'eau est de 3 1/s. On obtient ainsi en une heure environ, dans un volume total d'eau de 270 m 3, une concentration finale en air dissous égale à 20 % de la 20 concentration initiale avec 5 injecteurs de ce type. De manière générale le débit total Qi des injecteurs en m 3/s est fonction du volume total d'eau à dégazer V en m 3 Il est déterminé approximativement par la loi Qi = 4,3 10-5 V Pour une pression d'injection absolue de 4 bars le nombre d'orifices des injecteurs de l'ordre de 25 2,25 104 Qi. -8 REVENDICATIONS 1/ Procédé de dégazage d'un liquide, ce procédé s'appliquant à un liquide contenant un gaz gênant en solution et étant destiné à ramener la concentration de ce gaz jusqu'à une concentration finale inférieure à sa concentration initiale, ce procédé comportant une opération d'échange de masse en dépression au cours de laquelle le liquide à dégazer est placé dans une enceinte de séparation à surface libre ( 28), et le milieu gazeux au-dessus du liquide est aspiré pour y abaisser la pression du gaz gênant à une valeur 10 de dégazage inférieure à sa pression de saturation correspondant à ladite concentration finale, cette pression de dégazage étant maintenue le temps nécessaire à l'obtention de cette concentration finale par échange de masse à travers l'interface entre les phases liquide et gazeuze, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une opération d'injection de bulles dudit gaz gênant lui même dans le liquide non dégazé (en 26) de manière à augmenter l'aire de l'interface entre les phases liquide et gazeuse pendant l'opération d'échange en dépression, et à accélérer ainsi l'échange de masse. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites bulles sont des microbulles de diamètre non sensiblement supérieur à 100 micromètres de manière que ces bulles présentent une faible vitesse ascensionnelle initiale dans le liquide et créent une grande aire d'interface avec un faible débit d'injection de gaz. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les microbulles ont des diamètres compris entre 50 et 100 micromètres environ. 4/ Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit gaz gênant est l'air. 5/ Procédé selon la revendication 4, dans lequel ledit liquide est de l'eau. 6/ Procédé selon la revendication 2, applicable à un liquide circulant en circuit fermé et caractérisé par le fait qu'il comporte en outre les opérations suivantes: -9 prélèvement ( 8) d'une fraction du débit dudit liquide, cette fraction étant une fraction pour injection, pressurisation ( 10) de cette fraction pour injection à une pression d'injection supérieure au double de la pression de dégazage, prélèvement d'une fraction ( 14) du débit dudit liquide, cett fraction étant une fraction pour engazage, engazage de cette fraction pour engazage, cette opération étant réalisée dans une enceinte d'engazage ( 18) alimentée en ledit gaz gênant et soumise à une pression d'engazage supérieure à la pression d'in Jection 10 pour dissoudre ce gaz dans ce liquide à une concentration supérieure au double de ladite concentration initiale, et pour transformer cette fraction en une fraction surengazée, et détente progressive et réglable ( 22) de cette fraction surengazée pour la mélanger en proportion réglable à la fraction pour injection et 15 pour fournir ainsi un mélange d'injection présentant une concentration d'in Jection sensiblement constante en ledit gaz gênant, ladite opération d'in Jection de bulles dans ledit liquide étant réalisée à travers des trous d'injection alimentés par ce mélange d'injection et débouchant dans ledit liquide sensiblement à la pression de 20 dégazage. 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'opération d'in Jection est réalisée dans une enceinte d'injection ( 26) en amont de l'enceinte de séparation ( 28).