Brevet FR2679790A1 — publié le 19930205

REACTEUR PHY8ICO-CEIMIQUE A CAVITATION ULTRA80NORE La présente invention décrit un dispositif et un procédé permettant d'étendre le champ des applications industrielles des ultrasons et de la cavitation ultrasonore: - à la potabilisation des eaux destinées à l'alimentation, - à l'assainissement et à la désinfection des eaux recyclables comme les eaux de piscines, - à la préparation de cultures par sélection ou par élimination sélective de certains micro-organismes (bactéries, algues, protozoaires, champignons, mycètes, levures etc...) ou de certains germes de fermentations dans le cas de cultures spécifiques destinées soit à effectuer des recherches bactériologiques, soit à induire des fermentations industrielles, alimentaires ou autres, - à l'activation ou à la réalisation d'un certain nombre de réactions chimiques, - au traitement des déchets graisseux provenant des eaux résiduaires. L'effet des ultrasons ou de la cavitation ultrasonore est connu et utilisé depuis longtemps. Ainsi le procédé de potabilisation ou d'assainissement des eaux par verdunisation est couramment utilisé: il consiste à soumettre l'eau à un battage mécanique très énergique tout en ajoutant de petites quantités de réactifs chimiques oxydants, conduisant à un dégagement d'oxygène ou de chlore atomiques. Or la cavitation ultrasonore engendre une agitation et un brassage bien supérieurs au battage mécanique. L'action bactéricide des réactifs est donc considérablement accrue par la cavitation ultrasonore, ce qui permet de diminuer les quantités de réactifs utilisés. L'action bactéricide des ultrasons ou de la cavitation ultrasonore est reconnue. Malheureusement elle ne permet pas une stérilisation totale. Certains micro-organismes sont moins résistants que d'autres aux effets de la cavitation. C'est notamment le cas des micro-organismes filiformes qui sont détruits même par une brève exposition alors que d'autres sont à peine affectés. Ces effets de la cavitation ultrasonore peuvent donc être mis à profit pour la préparation de cultures, par sélection ou par élimination sélective, de certains micro-organismes dont la stucture est plus sensible à l'action de la cavitation. Cette action sélective peut être appliquée non seulement aux cultures destinées aux recherches bactériologiques de laboratoire mais encore aux cultures spécifiques destinées à induire des fermentations industrielles, alimentaires ou non. En ce qui concerne l'activation de certaines réactions chimiques, on peut en citer plusieurs exemples. D'abord les réactions en phases hétérogènes sont favorisées par le brassage intense que produit la cavitation ultrasonore. Ensuite, certaines réactions chimiques lentes, de faible énergie, comme l'hydrolyse et l'estérification, ou la solubilisation de certains oxydes obtenus par calcination, sont accélérées par la cavitation ultrasonore, agissant seule ou en présence de réactifs appropriés. Enfin un certain nombre de réactions comme l'oxydation ou l'hydrogénation, en phase liquide, de composés organiques (ou minéraux) peuvent être déclenchées ou accélérées par la cavitation ultrasonore. L'émulsification des huiles et des corps gras est couramment utilisée dans l'industrie agro-alimentaire. Mais le procédé peut être également appliqué à l'émulsification des déchets graisseux rejetés soit par les industriels de l'agro-alimentaire soit par les professionnels de la restauration. Ces déchets graisseux sont solides à la température am biante. La cavitation provoque partiellement leur émulsification et même leur hydrolyse. Mais s'ils sont portés à leur température de fusion ou de ramollissement, ils sont émulsionnés tres rapidement sous l'action de la cavitation ultrasonore. On peut ainsi émulsionner 3 à 10 litres par minute d'un mélange contenant 50% de déchets graisseux et 50% d'eau. On observe une hydrolyse notable (de l'ordre de 20%), des corps gras contenus dans ces déchets, hydrolyse que l'on peut encore favoriser par l'addition de réactifs alcalins (hydroxydes de sodium, de potassium ou de calcium; ammoniac; carbonate de sodium etc...). Dans sa réalisation préférentielle le dispositif, qui fait l'objet de l'invention, comporte principalement quatres parties: - un générateur ultrasonore de grande puissance, qui peut être soit un résonateur composite à excitation piézoélectrique soit un résonateur à excitation magnétostrictive, asservi en fréquence et en puissance, - un réacteur possédant une chambre de réaction de forme cylindrique dans lequel le résonateur produit une cavitation intense. - un système de contrôle et de régulation de la pression gazeuse à l'intérieur du réacteur, - un système de contrôle et régulation thermique du liquide traité. Le réacteur et le résonateur présentent certaines caractéristiques innovantes. Ainsi l'efficacité d'un résonateur, caractérisée par son aptitude à engendrer une intense cavitation, dépend de la charge traitée. Cette efficacité est très sensible à la longueur immergée de l'extrémité émettrice d'ultrasons, qui doit être adaptée au liquide traité, caractérisée principalement par sa masse volumique et sa viscosité De même, selon la nature du liquide traité, la cavivitation n'est active que sur un volume déterminé. Enfin il est peut être utile d'introduire certains réactifs chimiques, solides, liquides ou gazeux, en cours de l'action des ultrasons, dans la région de cavitation la plus intense. De plus un contrôle précis de la température des produits traités est nécessaire. Pour répondre à ces exigences: - le résonateur possède, à la surface de sa partie émet trice, des injecteurs permettant l'introduction de ré actifs chimiques, - le réacteur comporte: à à sa partie supérieure, un système de contrôle de la pression gazeuse qui permet de faire varier le niveau du liquide dans le réacteur afin d'obtenir une immersion plus ou moins profonde de l'extrémité émettrice du résonateur, un asservissement de cette pression gazeuse, afin de rechercher la profondeur d'immersion du résonateur correspondant à la plus grande intensité de cavitation, mesurée par un capteur de vibrations, une chambre de réaction, d'un volume variant entre 0,15 et 0,6 litre selon la nature du liquide traité, volume ajustable au moyen d'un piston . ce piston coulisse dans un cylindre de diffusion dont la paroi perforée permet l'introduction d'autres réactifs liquides ou gazeux, un asservissement de la température comportant, pour des températures supérieures à la température ambiante, un élément chauffant et un échangeur thermique. L'invention sera mieux comprise en examinant les figures 1 à 4. La figure 1 représente une vue d'ensemble et le principe du dispositif La figure 2 représente le détail de la chambre d'action des ultrasons, dénommée chambre de réaction La figure 3 montre l'asservissement en pression et le contrôle de l'immersion de la sonotrode. La figure 4 représente le contrôle thermique avec élément chauffant et échangeur. Le liquide à traiter pénètre dans le réacteur 1 par la tubulure 2. I1 entre dans une chambre de distribution 3 de forme torique d'où il sort par les orifices 4 pour pénétrer dans la chambre de réaction 5 délimitée par le cylindre de diffusion 8, par le piston 9 et la couronne 90 que ce piston porte à sa partie supérieure. Le liquide traité sort de la chambre de réaction 5 par les orifices 10 ménagés dans le piston 9, pénètre dans la chambre d'évacuation 11 et sort du réacteur par la tubulure 12. La chambre de distribution 3 et la chambre d'évacuation 11 sont isolées l'une de l'autre par la chambre de distribution 3, le cylindre de diffusion 8, son support 80 et la couronne 90. Le rôle de la chambre de distribution 3 est de répartir le liquide afin qu'il pénètre de façon bien régulière à la périphérie de la chambre de réaction 5. L'extrémité 6, de la partie émettrice du résonateur 7, porte des injecteurs 60 et 61 qui servent à introduire un ou plusieurs réactifs gazeux, liquides et/ ou des solides finement divisés en suspension dans un liquide porteur, amenés par les tubulures 65 et 66. Le cylindre de diffusion 8, fixé de façon rigide sur toute sa périphérie par un support 80 fixé à la chambre de distribution 3, est constitué de deux parois 81 et 82, ménageant entre elles un espace annulaire 83. Une tubulure 84 permet d'introduire un liquide ou un gaz dans l'espace cylindrique 83. La paroi interne 82 est perforée de petits trous dont le nombre et la dimension sont adaptés à la meilleure diffusion selon la nature gazeuse, liquide ou visqueuse du réactif utilisé. Lorsque le liquide à traiter pénètre dans la chambre de réaction 5, il se trouve soumis à l'action simultanée de la cavitation et des réactifs provenant des injecteurs 60 et 61 et/ou de la paroi 82 du cylindre de diffusion 8. Le piston 9 est claveté sur un tourillon 93 fixé à une vis 94 munie d'un système d'entrainement 95. La rotation de la vis 94 entraine son déplacement vertical. Les joints toriques 97 assurent l'étanchéité du système. I1 porte, à sa partie supérieure, une couronne 90 qui coulisse à l'extérieur du cylindre de diffusion 8 avec un léger jeu et un capteur de vibrations 91 destiné à mesurer l'intensité de la cavitation existant dans la chambre de réaction 5. Des conducteurs 92, passant dans un canal axial 96 ménagé dans le piston 9, le tourillon 93 et la vis 94, conduisent le signal vers un système électronique 14 de contrôle et de régulation. Lorsque le niveau de la surface libre 40 du liquide contenu dans le réacteur 1 varie, la partie émettrice 6 du résonateur 7 se trouve plus ou moins immergée. Le contrôle de ce niveau 40 peut être effectué soit par la jauge 29 soit par une légère variation de pression consécutive à une entre ou une sortie de gaz par la tubulure 13. La tubulure 13 est reliée à un système de contrôle de la pression comportant le système électronique 14 de commande et de régulation, deux électrovannes 20 et 23, une pompe 21, un tuyau d'évacuation 22 et une réserve de gaz sous pression 24. Le système électronique 14 est connecté à la jauge 29 et au capteur de pression 15 et au capteur de vibrations 91; il est muni d'un tableau d'affichage 18 donnant les valeurs de la pression de consigne et de la pression mesurée par le capteur 15. I1 possède deux modes de fonctionnement, l'un manuel et l'autre automatique, sélectionnés au moyen du commutateur 17. En mode manuel, un réglage électronique 16 permet de fixer une valeur de consigne de la pression et/ou du niveau de jauge. Lorsque la pression et/ou le niveau 40 dépassent la valeur consignée, soit par suite d'un excédent de réactif gazeux soit parce que les réactions chimiques dans la chambre de réaction 5 produisent un dégagement gazeux, le système électronique 14 met la pompe 21 en fonctionnement, puis commande l'ouverture de la vanne 20 de fa çon à évacuer le gaz excédentaire. Inversement, lorsque la pression et/ou le niveau 40 descendent au-dessous de la valeur de consigne, le disposif électronique 14 commande l'ouverture de la vanne 23 de façon à ramener la pression et/ou le niveau jusqu'à la valeur de consigne par introduction contrôlée de gaz sous pression. En mode asservi, le cicuit électronique 14 de commande analyse le signal qu'il reçoit du capteur 91 et dont l'amplitude est proportionnelle à l'intensité de la cavitation engendrée par la partie immergée de l'extrémité 6 du résonateur 7. Si l'amplitude de ce signal vient à diminuer en dessous d'un certain seuil, il commande un cycle de variation de la pression gazeuse par action sur la pompe 21 et les électrovannes 20 et 23 de façon à rechercher la profondeur d'immersion optimale de la partie émettrice 6. Une soupape de sécurité 28 complète l'équipement du réacteur 1. Le réacteur est enfin équipé d'un système de préchauffage et de régulation de la température comportant le capteur 30, le circuit électronique de commande 31, l'élément chauffant 32 et l'échangeur 33, dont le but est de maintenir les produits traités dans le réacteur 1 à la température optimale pour le traitement effectué, avec la dépense minimale d'énergie calorifique. Un réacteur peut traiter, selon les cas, de 0,2 à 1 m3/heure. Plusieurs réacteurs peuvent être placés en parallèle pour augmenter le débit ou en série ou pour accroître l'efficacité. Les matériaux et les structures délimitant la chambre de réaction sont choisis de façon à réfléchir les vibrations en les absorbant aussi peu que possible. En conclusion, le dispositif selon l'invention permet d'étendre le champ d'application de la cavitation ultrasonore, soit par la seule action cavitationnelle, soit par l'action simultanée de la cavitation et de réactifs chimiques appropriés: - à la potabilisation des eaux alimentaires, - à la désinfection ou l'assainissement des eaux recyclées, - à la destruction de certains micro-organismes et à la préparation sélective de cultures destinées soit à des recherches de laboratoire, soit à la mise en oeuvre de fermentations industrielles, - à l'activation de certaines réactions chimiques lentes comme l'hydrolyse, l'estérification, la solubilisation d'oxydes ou à la réalisation d'autres réactions chimiques comme les réactions en phases hétérogènes, - à l'émulsification et à l'hydrolyse des déchets graisseux contenus dans les eaux résiduaires, en vue de leur élimination REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de soumettre industriellement des liquides divers à une intense cavitation ultrasonore agissant seule ou en présence de réactifs chimiques divers, caractérisé en ce qu'il comporte: - une chambre de répartition 3, - une chambre de réaction 5, soumise à l'action simultanée de la cavitation et de la diffusion de réactifs chimiques et délimitée par . un cylindre de diffusion 8 à paroi perforée 82, un piston mobile 9 muni d'un capteur de vibrations 91, l'extrémité émettrice 6 du résonateur de puissance 7, une chambre d'évacuation 11. 2. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur de puissance 7, asservi en fréquence et en puissance, dont la partie émettrice 6 est munie des tubulures 65 et 66 débouchant par les injecteurs 60 et 61 dans la chambre de réaction 5. 3. Dispositif, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte: - des injecteurs 60 et 61 dans l'extrémité émettrice 6 du résonateur 7, - un cylindre de diffusion 8 possédant une paroi interne perforée 82, permettant d'introduire, dans la chambre de réaction 5, au cours de la cavitation, des réactifs chimiques, gazeux, liquides et/ou solides finement divisés en suspension dans un liquide. 4. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système de recherche automatique du maximum de l'intensité cavitationnelle comprenant: - le circuit électronique de commande 14, - le capteur de vibration 91, - le capteur de pression 15, - les électrovannes 20 et 23, - la pompe 21, - la réserve de gaz sous pression 24, et permettant d'obtenir l'immersion optimale de l'extré- mité émettrice 6 du résonateur 7 en agissant sur la pression gazeuse dans le réacteur 1. 5. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un échangeur thermique 33, - un élément chauffant 32, - un capteur de température 30, - un circuit électronique de commande 31, dans le but de porter à la température souhaitable les produits entrant dans le réacteur 1. 6. Procédé, pour mise en oeuvre du dispositif selon l'ensemble des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste en: - la mise à température convenable, dans le système de préchauffage 32 et 33, des produits à traiter, - leur admission dans la chambre de répartition 3, - l'introduction des réactifs appropriés, par les injec teurs 60 et 61 et/ou par la paroi diffusante 82, dans la chambre de réaction 5, - le traitement de ces produits, dans la chambre de ré action 5, par l'action simultanée de la cavitation et des réactifs chimiques injectés, - l'évacuation des produits liquides traités par la chambre 11, - l'évacuation du dégagement gazeux par la tubulure 13.