Brevet FR2622470A1 — publié le 19890505

La présente invention concerne un dispositif permettant le transfert d'une phase gazeuse dans une phase liquide, l'apport de la phase gazeuse étant destiné & assurer le déroulement de réactions devant se développer ultérieurement dans la phase liquide. Ce dispositif - est principalement destiné à la réalisation de traitements telles que les réactions chimiques, biologiques et métaboliques comportant le transfert d'une phase gazeuse dans une phase liquide, cette phase liquide pouvant être une eau industrielle ou domestique. Beaucoup de traitements mettant en jeu des transformations chimiques ou biologiques, en particulier celles se produisant dans le traitement aérobie des eaux résiduaires, demandent que soit incluse dans le milieu réactionnel la phase gazeuse nécessaire aux réactions chimiques, biochimiques et métaboliques des micro- organismes présents dans le milieu réactionnel que représente la phase liquide. De plus, pour être efficace le système nécessite un mélange des deux phases. On connaît déjà des dispositifs tels que les aérateurs de surface à turbines fixes ou flottantes, lentes ou rapides ou à brosses, les systèmes immergés par injection d'air tels que aérateurs statiques, clapets vibreurs et diffuseurs poreux et les systèmes par pompes déprimogènes à jets fixes ou mobiles. Ces dispositifs ne permettent l'obtention d'un mélange très homogène qu'au prix d'une dépense d'énergie élevée. On connait également des dispositifs qui utilisent un éjecteur venturi pour assurer l'aération de la phase liquide. Ils sont plus économes en énergie que les dispositifs cités ci-dessus. On peut juger des performances intrinsèques d'un équipement d'aération au travers de deux critères qui sont: - L'apport spécifique brut en kilogrammes d'oxygène par kilowattheure - Le coefficient de transfert en secondes moins un. Ce coefficient est défini comme celui qui lie la vitesse de variation de concentration à l'écart entre cette concentration et la concentration correspondant à celle de saturation de la phase gazeuse dans la phase liquide Les appareils habituellement utilisés ont des apports spécifiques bruts généralement compris entre 0,8 et 1,8 kilogrammes d'oxygène par kilowattheure. Une étude réalisée par WANG et AL en 1978 et publiée dans Chem. Eng. Sci., 33, 945 en 1978 montrait que des coefficients de transfert pouvant aller jusqu'à 0,22 seconde moins un pouvaient être obtenus en utilisant des colonnes à bulles équipées de mélangeurs statiques pour des vitesses de liquide et de gaz respectivement égales à 0,17 mètre par seconde et 0,25 mètre par seconde. Les équipements plus habituels que sont le venturi classique ou le diffuseur poreux permettent d'obtenir des coefficients de transfert généralement compris entre 0,06 et 0,13 seconde moins un. La présente invention a pour but d'améliorer considérablement les performances des dispositifs de transfert d'une phase gazeuse dans une phase liquide. Selon l'invention le dispositif comprend un éjecteur venturi de matière adaptée, caractérisé en ce qu'il est prolongé côté divergent par une cheminée de diamètre au moins égal au diamètre de sortie du divergent, ladite cheminée étant jointive ou non avec le venturi. Le ou les dispositifs sont immergés dans un bassin ou tout autre type de réservoir contenant la phase liquide. Celle-ci est introduite par une pompe à l'entrée du convergent avec une vitesse initiale adaptée au venturi.. La phase gazeuse est introduite au col du venturi et peut être selon les cas aspirée par la phase liquide qui joue alors le rôle -de fluide moteur ou introduite par l'effet combiné de la pression due a un compresseur de gaz et de l'aspiration due à la phase liquide. Le divergent assure un mélange entre les deux phases. La cheminée placée à la sortie du divergent renforce considérablement l'effet du venturi en assurant une zone de contact importante dans un espace relativement confiné ce qui permet d'obtenir un bien meilleur transfert gaz/liquide que par les procédés actuellement connus. En outre il est possible de réaliser cette cheminée de telle façon que son diamètre soit supérieur au diamètre de sortie du divergent. Dans ce cas, le divergent et la cheminée ne sont plus jointifs et la vitesse du mélange dans la dite cheminée provoque l'aspiration d'une partie de la phase liquide dans laquelle baigne le dispositif. Un tel effet sera recherché chaque fois que la quantité de gaz contenu dans le mélange phase liquide/phase gazeuse sera supérieure à la capacité d'absorption de la phase liquide. Dans une variante de réalisation de l'invention on intercale entre la sortie du divergent et l'entrée de la cheminée une pièce cylindrique intermédiaire de raccordement. Cette pièce intermédiaire est percée de lumières mettant en communication l'intérieur de la cheminée et la phase liquide dans laquelle baigne le dispositif. Comme ci-dessus la vitesse du mélange phase liquide et phase gazeuse dans la cheminée provoque l'aspiration d'une partie de la phase liquide extérieure. Le dispositif peut être utilisé en position verticale - ou en position inclinée, l'axe du dipositif faisant au plus un angle de 60 degrés avec la verticale, le convergent se trouvant toujours en position haute. Préférentiellement, l'axe du dispositif est placé verticalement, la phase liquide ayant un flux descendant. La longueur de la cheminée est au moins égale à la longueur du venturi. Sa longueur maximum est conditionnée par la profondeur du bassin dans lequel est contenue la phase liquide. Préférentiellement la cheminée s'arrêtera à une distance du fond au moins égale à une fois son diamètre. La nature du ou des matériaux servant à la réalisation du dispositif n'a pas d'influence sur l'efficacité de celui-ci. C'est la nature des phases en présence qui déterminera les matériaux à utiliser. Les raccordements du dispositif aux diverses tuyauteries peuvent être de tout type et notament à souder, à coller, à brides, et à visser. Le venturi est calculé de telle façon que la vitesse du flux dans la cheminée assure aux bulles de gaz qui sont soumises à deux influences: le flux ascendant du mélange et la force d'archimède, une vitesse descendante faible permettant aux dites bulles d'être dissoutes de façon maximale par la phase liquide. Des essais menés avec le dispositif objet de l'invention ont conduit à des résultats faisant apparaftre des coefficients de transfert pouvant atteindre 0,35 seconde moins un, bien supérieurs à ceux obtenus par les dispositifs connus et cités précédemment. Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé pour tous les procédés nécessitant le transfert d'une phase gazeuse dans une phase liquide, notamment pour les traitements d'eaux industrielles ou domestiques, usées ou potables, en particulier pour les opérations d'aération à l'air ou à l'air enrichi, d'oxygénation, de chloration et d'ozonation. Les dispositifs peuvent être associés en parallèle, leur nombre dépendant du volume de phase liquide à traiter. Deux ou plusieurs dispositifs peuvent être montés en série, en particulier lorsque les conditions d'absorption de la phase gazeuse dans la phase liquide sont difficiles c'est à dire lorsque la solubilité de la phase gazeuse est faible dans les conditions prévues pour le traitement, ou si une réaction intervient avec consommation du gaz dissous. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite, à titre non limitatif, en référence à: - La figure la qui montre l'ensemble du dispositif, - la figure lb qui en montre une variante, - La figure 2 qui montre un exemple de mise en oeuvre de l'invention, - La figure 3 qui donne plusieurs courbes montrant la variation du coefficient de transfert en fonction de la vitesse de la phase gazeuse, lors de mesures faites, partie par les inventeurs, partie par WANG et AL, en Chem. Eng. Sci., 33,945 (1978), - La figure 4 qui donne plusieurs courbes montrant la variation de la capacité d'oxygénation des dispositifs en fonction de la puissance spécifique, établies en partant de résultats obtenus partie par des essais faits par les inventeurs, partie par des résultats provenant d'une étude du Centre Technique Du Génie Rural des Eaux et Forêts (CEMAGREF) et publiés par le Ministère de l'Agriculture français en 1980. Les dispositifs objets de l'invention ont été déterminés pour être utilisés dans un bassin de 400 mètres carrés de surface et 2,5 mètres de profondeur dont les besoins en oxygène de la phase liquide sont de 51 kilogrammes par heure. Le dispositif comporte un convergent 1 d'angle 40 degrés environ et de longueur 127 millimètres. Côté entrée de ce convergent, qui sert d'entrée à la phase liquide, se trouve une partie cylindrique 6 destinée au raccordement de la tuyauterie amenant la phase liquide. Le diamètre d'entrée du convergent 1 est égal à 114 millimètres. Après le convergent se trouve le col 2 du venturi. Il a un diamètre de 25, 4 millimètres et une longueur de 25,4 millimètres. Le col 2 comporte équidistant de ses deux extrémités un piquage 7 dépassant extérieurement de 50,8 millimètres et destiné à l'alimentation du dispositif par la phase gazeuse. Le diamètre de ce piquage est de 6 millimètres. Dans une variante de cette réalisation o la phase gazeuse est admise par induction due à la force motrice de la phase liquide, le diamètre est de 8 millimètres. Le col 2 est suivi du divergent 3 formant un angle de degrés. Sa longueur est telle que le diamètre de sortie soit égal au diamètre d'entrée du convergent, soit 506 millimètres. Après le divergent 3 on trouve la cheminée 5. Elle est cylindrique, de diamètre égal à celui de la sortie du divergent 3, sa longueur est égale à 1030 millimètres. Dans une variante préférée du dispositif on intercale entre le venturi et la cheminée 5 une pièce d'espacement 4 Son diamètre est égal à 114 millimètres, sa longueur à 114 millimètres. La pièce intercalaire est ajourée par trois lumières présentant un dégagement maximal compatible avec sa réalisation. Sur la figure 2, on peut voir comment sont mis en oeuvre les dispositifs décrits ci-dessus. Dans le bassin 8 on envoie à l'entrée des dispositifs 12 la phase liquide par l'intermédiaire d'une pompe 9 et d'une rampe d'alimentation 10. De même, on envoie au col des dispositifs 12 la phase gazeuse par l'intermédiaire d'un compresseur 11 et d'une rampe 13. Le bassin a une capacité de 1000 mètres cubes, la pompe 9 a un débit de 2400 mètres cubes par heure pour une pression de 1 bar, le compresseur 11 a un débit de 3,3 mètres cubes par minute pour une pression de 0,4 bar. L'installation selon l'invention est équipée de 263 dispositifs. Elle assure une capacité d'oxygénation de 51 grammes d'oxygène par mètre cube et par heure. La puissance brute requise est de 30 kilowatts, soit une puissance spécifique de 30 watts par mètre cube. La figure 3 permet de comparer les valeurs des coefficients de transferts en fonction de la vitesse de la phase liquide à savoir 0,2624 mètre par seconde en utilisant le dispositif objet de l'invention: courbe 14 et les coefficients obtenus en utilisant les dispositifs déjà connus: courbes 15 (plateau poreux), 16 (venturi classique), 17 (colonne à bulles et mélangeur statique). Les courbes 16 et 17 ont été obtenues par WANG et AL en 1978, les autres expérimentalement par les inventeurs. En abcisses figurent les vitesses superficielles de gaz en mètre par seconde, en ordonnées figurent les coefficients de transfert en seconde moins un. La figure 4 permet de comparer les valeurs des capacités d'oxygénation en fonction des puissances spécifiques mises en oeuvre par les dispositifs objets de l'invention: courbes 18 et 19 (débit de la phase liquide égal à 2,5 litres par seconde pour courbe 18, débit de la phase liquide égal à 5 litres par seconde pour courbe 19) et les coefficients obtenus par les dispositifs déjà connus: courbe 20 (courbe enveloppe maximale des valeurs statistiques relatives aux turbines rapides, lentes et aux brosses), 21 (turbine lente brosse) et 22 (turbine rapide). Les courbes 20, 21 et 22 ont été tracées avec les résultats de mesures citées par CEMAGREF en 1980, les autres expérimentalement par les inventeurs. En abcisses figurent les puissances spécifiques en watts par mètre cube, en ordonnées figurent les capacités d'oxygénation en grammes d'oxygène par mètre cube et par heure. REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour la dispersion d'une phase gazeuse dans une phase liquide comprenant au moins un éjecteur venturi d'axe vertical ou incliné, composé d'un convergent pour l'entrée du liquide, d'un col pour l'entrée du gaz et d'un divergent caractérisé en ce que le dit divergent est prolongé par une cheminée de diamètre égal ou supérieur à celui du divergent et jointive ou non avec celui-ci. 2.- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la phase liquide est le fluide moteur, la phase gazeuse étant aspirée. 3.- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la phase gazeuse est injectée sous pression dans la phase liquide. 4.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la cheminée est de longueur au moins égale à celle de l'éjecteur venturi. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il est utilisé en position verticale. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le flux de la phase liquide est descendant. 7.- Dispositif. selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'on intercale entre le venturi et la cheminée une pièce cylindrique ajourée de diamètre égal au diamètre de sortie du convergent et de longueur sensiblement égale à ce diamètre. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éjecteurs venturi montés en série. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éjecteurs venturi montés en parallèle. 10.- Dispositifs selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il est entièrement immergé dans la phase liquide. 11.- Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 à la réalisation de traitements tel que les réactions chimiques, biochimiques ou métaboliques O10 comportant le transfert d'un gaz dans une phase liquide. 12.- Application selon la revendication 11 caractérisée en ce que la phase liquide est une eau industrielle ou domestique et la phase gazeuse est de l'air, de l'air enrichi en oxygène, de l'oxygéne, de l'ozone, du chlore, seul ou en mélange.