Brevet FR2607404A1 — publié le 19880603

La présente invention se rapporte à un procédé pour mettre en contact des gaz avec des liquides, dans le- quel le liquide à mettre en contact sort d'une buse sous la forme d'un jet de liquide et est dirigé,à travers l'espace contenant le gaz à mettre en contact,de manière à pénétrer dans la masse du liquide à mettre en contact. Le contact gaz-liquide, considéré comme l'une des opérations les plus importantes dans plusieurs secteurs de l'industrie, peut déterminer substantiellement la possi- bilité de réalisation de l'ensemble d'une technique ainsi que les paramètres techniques des produits. Le rendement de la mise en contact d'un gaz et d'un liquide joue un rôle décisif dans la plupart des trai- tements aérobies dans l'industrie de fermentation, dans l'é- puration biologique aérobie des effluents, ainsi que dans de nombreux traitements chimiques. On peut classer les divers systèmes connus de mise en contact gaz-liquide selon la méthode de transfert d'éner- gie, comme suit: - systèmes pneumatiques (colonnes à bulles, réacteurs à boucle comportant un élévateur à air, etc.) - systèmes mécaniques (aérateurs de surface à arbre hori- zontal ou vertical, agitateurs auto-aspirants) - combinaison des systèmes ci-dessus (réacteurs agités à diffusion de gaz) - systèmes hydrauliques. En ce qui concerne le rendement du transfert d'é- nergie, les systèmes hydrauliques s'avèrent les plus avanta- geux pour le contact gaz-liquide, comme le montre le grand développement de cette méthode dans les dernières années. Une caractéristique commune des systèmes hydrau- liques est que la mise en contact du gaz et du liquide est effectuée par des jets de liquide de diverses formes engen- drés par une pompe et une buse d'un certain type. Selon le caractère du jet de liquide, on peut classer ces procédés comme suit: - procédés utilisant des jets de liquide dispersés (tours de pulvérisation, épurateurs à venturi) - traitements utilisant des jets de liquide en deux phases (injecteurs et éjecteurs) - traitements utilisant des jets de liquide homogènes, cohérents, et plongeants. Parmi les systèmes hydrauliques, les procédés de ce dernier type peuvent fournir à la fois le rendement énergétique le plus avantageux et le taux de transfert de masse spécifique le plus élevé possible (intensité du con- tact gaz-liquide), ainsi que les cofts d'investissement spécifique les plus faibles. Une caractéristique commune des procédés à jet de liquide plongeant est que le jet de liquide homogène et cohérent, sortant de la buse au-dessus de la surface de la masse liquide, traverse l'espace de gaz au-dessus de la surface du liquide et pénètre dans la masse du liquide tout en entraînant une grande quantité du gaz de l'espace gazeux qui existe au-dessus de la surface du liquide. L'entraîne- ment du gaz est effectué d'une manière telle que, du fait de la rugosité de surface du jet de liquide, une couche li- mite de gaz est créée sur la surface du jet pendant qu'il traverse l'espace de gaz et, lorsqu'elle pénètre dans la masse de liquide en même temps que le jet de liquide lui- même, cette couche est brisée en fines bulles sous l'effet des forces de cisaillement entre le jet et la masse de liquide. Le rendement de ces procédés est déterminé simul- tanément par la rugosité de surface et la cohésion du jet de liquide, de la manière suivante: - plus la rugosité de surface du jet de liquide est grande, plus le taux d'entraînement de gaz est élevé, de sorte que la quantité de gaz dissous est ainsi augmentée, - plus le jet de liquide est cohérent, plus la dispersion de gaz est fine et plus la profondeur de pénétration des bulles est grande,(le temps de séjour des bulles étant ainsi plus long), de sorte que l'intensité du contact est augmentée. D'une manière générale, on peut dire qu'aucun des dispositifs connus de mise en contact gaz-liquide à jet plon- geant ne peut satisfaire simultanément et avantageusement aux deux conditions susmentionnées, c'est-à-dire que les techniques connues peuvent augmenter la rugosité de surface du jet seulement par une diminution simultanée de la cohésion du jet de liquide, ou inversement. Pour augmenter la rugosité de surface du jet de liquide, l'une ou la combinaison des méthodes suivantes est utilisée sans exception par tous les procédés connus (voir par exemple Chem. Eng. Sci, 1161/1981/; Chem. Eng. Commun. 15, 367 /1982/; demande de brevet hongrois publiée n 3901/81) utilisation d'une buse ayant une forme différente de la configuration hydraulique optimale - augmentation de la vitesse du jet de liquide augmentation du degré de turbulence du jet de liquide - augmentation de la longueur libre du jet de liquide. L'inconvénient commun de ces méthodes est que, d'une part, elles entraînent des pertes hydrauliques sensi- bles, diminuant ainsi le rendement énergétique de la mise en contact, et, d'autre part, toutes ces méthodes ont pour effet de diminuer la cohésion du jet, ce qui diminue l'in- tensité du contact. La présente invention a pour objet d'éviter les inconvénients ci-dessus, par optimisation simultanée mais indépendante de ces deux paramètres qui sont responsables du rendement du procédé, à savoir la rugosité de surface et la cohésion du jet, afin de satisfaire aux exigences spé- cifiques de toute opération de mise en contact d'un gaz et d'un liquide. L'invention est basée sur la constatation que la surface du jet de liquide peut directement être rendue ru- gueuse sans diminuer sensiblement la cohésion du jet de li- quide, si on souffle sur la surface du jet le gaz à mettre en contact ou une partie du gaz et/ou du liquide. Ainsi, l'invention a pour objet un procédé pour mettre en contact des gaz et des liquides, dans lequel le liquide à mettre en contact est dirigé sous la forme d'un jet central de liquide sortant d'une buse, à travers l'es- pace contenant le gaz à mettre en contact, et il pénètre dans le liquide à mettre en contact. Conformément au procédé de l'invention, une par- tie du gaz et/ou du liquide à mettre en contact, ou la to- talité du gaz, ou une partie du liquide et la totalité du gaz, sont dirigées sur la surface du jet central de liquide, sous la forme de jets de gaz ou de liquide dirigés vers la surface du jet central de liquide. En ce qui concerne l'obtention de la rugosité de surface du jet de liquide, on peut obtenir un effet sen- siblement identique par soufflage du gaz ou du liquide sur la surface du jet. Généralement, l'emploi d'un jet de gaz est préférable lorsque la mise en contact gaz-liquide est effectuée dans un réacteur fermé,dans lequel le gaz à mettre en contact devrait de toute façon être introduit sous pres- sion. Il est en général préférable d'engendrer la rugo- sité simultanément au moyen de jets de gaz et de liquide lorsque la quantité ou la pression du gaz à mettre en con- tact n'est pas suffisante pour engendrer la rugosité de sur- face nécessaire. On préfère en général engendrer la rugosité au moyen d'un jet de liquide lorsque la mise en contact est effectuée dans un système ouvert et que le gaz à mettre en contact est l'air atmosphérique lui-même, par exemple dans le cas du traitement biologique d'eau usée, de l'aération d'eaux de surface ou pour des bassins de pisciculture. Les jets de gaz ou de liquide utilisés pour créer une rugosité débouchent d'orifices ayant de préférence des sections transversales circulaires et disposés uniformément autour du jet de liquide cohérent, ou bien d'une fente en- cerclant le jet de liquide. En ce qui concerne le résultat de la rugosité, les jets de gaz et/ou de liquide peuvent êtredirigéssur la surface du jet cohérent de liquide, en tout point entre la sortie de la buse et le point de plongée. Il est toutefois préférable d'engendrer la rugosité aussi près que possible de la sortie de la buse, puisque la longueur libre du jet de liquide peut de cette façon être sensiblement diminuée. Le jet de gaz ou de liquide utilisé pour créer une rugosité peut être dirigé vers l'aval ou vers l'amont par rapport au flux du jet central. Pour obtenir la rugosité appropriée, il est avantageux de maintenir un angle d'au moins 5 entre ces jets de gaz et/ou de liquide et le jet central. Les principaux avantages du procédé conforme à l'invention,par rapport aux solutions connues, peuvent être résumés comme suit: a) le rendement énergétique de la mise en contact est sensiblement augmenté, de 30 à 60% environ, b) la plage d'application peut êtresensiblement étendue, c) la fiabilité de conceptionet d'augmentation d'échelle est améliorée, d) la plage des paramètres de réglage est nettement éten- due, même dans le même traitement, e) la longueur libre du jet de liquide meutêtresensiblement ment réduite, ce qui procureunemeilleure utilisation du volume de réacteur. 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 com- plément de description ci-après qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels les figures 1 et 2 illustrent les bu- ses utilisées dans les exemples 1 et 2, respectivement. Le procédé conforme à l'invention est illustré en détail par les exemples ci-après. Il doit être bien en- tendu, toutefois, que ces exemples sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. EXEMPLE 1 On met en circulation 0,3 m3 de solution au moyen d'une pompe, dans une cuve rectangulaire ouverte d'une lar- geur de 0,5 m et d'une hauteur de 2 m, par l'intermédiaire d'une buse de 20 mm de diamètre. La solution contient 0,5 kmole/m3 de sulfite de sodium et 0,001 kmole/m3 de sulfate de cobalt.Latempératu- re de la solution est maintenue à 30 C. La longueur libre du jet de liquide est de 0,3 m. Le débit du liquide mis en circulation par la pompe est de 20,4 m3/h. On dirige 4% du liquide en circula- tion perpendiculairement sur la surface du jet de liquide (figure 1),par l'intermédiaire de trous 3 ménagés sur un anneau 2 en tube de cuivre de 10 mm de diamètre qui est placé autour du jet de liquide sortant de la buse 1. Douze trous de 1,2 mm de diamètre sont disposés à intervalles égaux sur l'anneau. La distance entre les trous et la surface du jet de liquide est de 40 mm, et la distance entre l'anneau et la sortie de la buse est de 10 mm. Par la méthode connue de mesure de l'oxydation du sulfite de sodium [ V. Linck et V. Vacek, Chem. Eng. Sci. 36, 1747 (1981)], on trouve que le taux de transfert volumé- trique d'oxygène est de 27,2 kg de O2/m3.h, ce qui corres- pond à un débit d'introduction d'oxygène de 8,16 kg de 02/h. La puissance hydraulique absorbée par la pompeest de 0,91 kW, de sorte que le rendement énergétique de l'introduction d'o- xygène est de 8,97 kg de 02/kWh. EXEMPLE COMPARATIF de l'Exemple 1 On applique le procédé décrit dans l'exemple 1 ci-dessus, sauf en ce qu'on ne dirige pas de liquide sur le jetde liquide. Dans ce cas, le débit de transfert volumétri- que d'oxygène est de 16,8 kg de 02/m3.h, le débit d'intro- duction d'oxygène est de 5,04 kg de O2/h et le rendement énergétique de l'introduction d'oxygène est de 5,54 kg de 02/kWh. Sur la base de cette comparaison, on obtient une amélioration de 61,9% à la fois dans le débit de transfert volumétrique d'oxygène, c'est-à-dire dans l'intensité de la mise en contact gaz-liquide, ainsi que dans le rendement énergétique, lorsqu'on utilise le procédé suivant l'inven- tion. EXEMPLE 2 On répète le traitement de l'exemple 1, avec les différences ci-après. Le débit du liquide en circulation est de 18,9 m3/h et la puissance hydraulique d'entrée de la pompe est de 0,74 kW. Dans ce cas, à la place du liquide utilisé dans l'exemple 1, on dirige de l'air par l'intermédiaire d'un anneau en tube de cuivre de 10 mm de diamètre placé autour du jet de liquide. Six trous de 1,5 mm de diamètre sont disposés à intervalles égaux sur l'anneau. Par rapport à la direction horizontale, les trous sont dirigés suivant un angle de 15 vers le bas. La distance entre les trous et lejet de liquide est de 21 mm et la distance entre l'anneau et la sortie de la buse est de 50 mm. Le débit de l'air sor- tantpar les trous est de 4,5 Nm3/h, ce qui correspond à une entrée de puissance supplémentaire de 0,1 kWenplus de l'en- trée de puissance hydraulique de la pompe. Par la méthode de mesure décrite dans l'exemple 1, e607404 on trouve un taux de transfert volumétrique d'oxygène de 21,7 kg de 02/m3.h, un débit d'introduction d'oxygène de 6,52 kg de 02/h et un rendement énergétique de 7,82 kg de O2/kWh. EXEMPLE COMPARATIF de l'Exemple 2 On applique le procédé décrit dans l'exemple 2, mais sans soufflage d'air. De cette manière, on mesure des valeurs de 12,03 kg de O2/m3.h, 3,61 kg de O2/h et 4,92 kg de 02/kWh. Sur la base de cette comparaison,on trouve une amélioration de 80,7 % de l'intensité de la mise en contact, tandis que le rendement énergétique est amélioré de 58,9%. EXEMPLE 3 On fait circuler 0,1 m3 d'une solution ayant la composition décrite dans l'exemple 1, au moyen d'une pompe, à travers une buse de 10 mm de diamètre, dans une cuve fer- mée de 0,45 m de diamètre et 1,5 m de hauteur. Le débit du liquide mis en circulation par la pompe est de 6,84 m3/h et l'entrée de puissance hydraulique de la pompe est de 0,56 kW. On introduit de l'air dans la cuve à un débit de 16 Nm3/h, par une fente 3 de 0,5 mm de large, définie par un profilé 2 en polyamide emmanché surle corps de la buse 1 qui est également en polyamide (figure 2). La distance de la fente à la surface du jet de liquide est de 5 mm et un angle de 15 est défini entre l'air sortant et le jet de liquide. L'introduction d'air demande une entrée de puissan- ce de 0,18 kW. L'air sort à la partie supérieure de la cuve par un orifice de 20 mm de diamètre situé à une distance de 200mm de l'axe. La longueur libre du jet de liquide est de 0,4 m. Dans ce cas, on trouve que le taux de transfert volumétrique d'oxygène est de 41,2 kg de 02/m3.h. Par suite, le débit d'introduction d'oxygène est de 4,12 kg de 02/h et le rendement énergétique de l'introduction d'oxygène est de ,57 kg de 02/kW.h. EXEMPLE COMPARATIF de l'Exemple 3 On répète le procédé décrit dans l'exemple 3, à la différence que l'air à mettre en contact est introduit verticalement vers le bas, à la partie supérieure de la cuve,par un orifice de 20 mm de diamètre situé à une dis- tance de 200 mm de l'axe, tandis que l'air usé sort de la cuve par un orifice de même dimension situé à l'opposé et à la même distance. Ainsi, on introduit la même quantité d'air que ci-dessus dans le système,sans le diriger direc- tement sur le jet de liquide. Le taux de transfert volumé- trique d'oxygène est de 29,0 kg de O2/m3.h, ce qui corres- pond à un débit d'introduction d'oxygène de 2,9 kg de 02/h et à un rendement d'introduction d'oxygène de 3,92 kg de O2/kWh, respectivement. Sur la base de cette comparaison, on obtient une amélioration de 42,1 % à la fois de l'intensité du trans- fert d'oxygène et de son rendement. EXEMPLE 4 On répète le procédé décrit dans l'exemple 1, sauf en ce qu'on utilise un anneau d'introduction d'air au-dessous de l'anneau d' introduction de liquide suivant l'exemple 2. Ainsi, la rugosité du jet de liquide est engendrée simultanément par la direction de liquide et d'air sur la surface du jet. On trouve que le taux de transfert volumétrique d'oxygène est de 30,9 kg de O2/m3.h, ce qui correspond à une introduction de 9,27 kg de O2/h,c'està-direàunrendement énergétique de 9,18 kg de o2/kWh. EXEMPLE COMPARATIF de l'Exemple 4 On répète le procédé décrit dans l'exemple 4, à la différence qu'on n'injecte ni air ni liquide, c'est- à-dire qu'on suit l'exemple comparatif de l'exemple 1. Ainsi, le procédé suivant l'invention procure une augmentation de 83,9% de l'intensité de contact et une augmentation de 65,7 % du rendement énergétique. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in- vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire tou- tes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du techni- cien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. Revendication 1. Procédé pour mettre en contact des gaz et des liquides, dans lequel le liquide à mettre en contact est dirigé sous la forme d'un jet central de liquide sortant d'une buse (1),à travers l'espace contenant le gaz à mettre en contact,et pénètre dans le liquide à mettre en contact, caractérisé en ce qu'il consiste à diriger une partie du gaz et/ou du liquide à mettre en contact, ou la totalité du gaz, ou une partie du liquide et la totalité du gaz, sur la surface du jet central de liquide, sous la forme de jets (3) de gaz ou de liquide dirigés vers la sur- face du jet central de liquide sortant de la buse princi- pale.