Brevet FR2733699A1 — publié le 19961108

La présente invention est relative à un dispositif pour injecter un gaz à l'intérieur d'un liquide en écoulement. Lorsqu'on désire provoquer des réactions physiques ou chimiques entre un gaz et un liquide en écoulement, on utilise habituellement un dispositif comportant plusieurs tubes poreux immergés dans le liquide, fermés à une extrémité et ouverts à une autre extrémité, ces tubes étant portés par un collecteur d'alimentation commun relié à une source dudit gaz, le collecteur ayant un espace intérieur commun qui communique avec l'extrémité ouverte des tubes poreux. Un tel dispositif permet de disperser le gaz dans le liquide sous la forme de très fines bulles, ayant par conséquent une surface de contact liquide-gaz très importante. Plusieurs dispositions sont connues pour les tubes poreux. Les tubes poreux peuvent être placés perpendiculairement à la direction de l'écoulement du liquide. Cette disposition a pour inconvénient que les tubes poreux sont susceptibles d'arrêter ses corps étrangers entraînés par l'écoulement de liquide, ce qui n'est pas souhaité. D'autre part, pour injecter une quantité importante de gaz, on est amené à augmenter la section transversale de l'écoulement de fluide à l'endroit des tubes, ce qui peut occasionner des modifications importantes. I1 est connu aussi de disposer les tubes poreux parallèlement à la direction d'écoulement du liquide. On a alors une mauvaise maîtrise du gaz traversant des régions différentes des tubes poreux, car celle-ci dépend de la pression du liquide en chacun des points d'un tube poreux et cette pression peut varier, par exemple dans le cas où ltécoulement est dirigé verticalement, ou dans le cas où la section d'un conduit contenant l'écoulement n'est pas constante. En outre, il y a à craindre des phénomènes de coalescence : les bulles sorties du tube poreux dans les parties de celui-ci qui sont les plus en amont viennent rencontrer les bulles sorties de parties du tube poreux situées plus en aval.Les bulles en se réunissant donnent naissance à des bulles plus grosses, ce qui diminue, à volume de gaz égal, la surface d'échange entre le gaz et le liquide. La présente invention a pour but de fournir une solution à ces différents problèmes. Dans ce but, il est prévu, selon l'invention, que, dans un dispositif du type mentionné au début, les tubes ont une direction générale qui fait un angle avec la direction de l'écoulement compris entre 20 et 70 , les tubes avançant dans le sens de l'écoulement en s'écartant du collecteur. L'angle que fait la direction des tubes avec la direction de l'écoulement doit être choisi dans chaque cas particulier, en fonction, notamment, des risques d'accrochage sur les tubes de corps étrangers entraînés par le liquide, des risques de coalescence, de la géométrie de l'installation et de la répartition des pressions dans l'écoulement. Si l'écoulement est sensiblement vertical, tous les tubes feront normalement le même angle avec la direction de l'écoulement, mais si l'écoulement est horizontal ou oblique, il pourra être avantageux de prévoir que, par exemple, les tubes dirigés vers le haut feront, avec la direction de l'écoulement, un angle plus faible que les tubes dirigés vers le bas. Il est avantageux de prévoir que deux tubes poreux situés en aval l'un de l'autre dans le sens de l'écoulement de liquide sont écartés, dans le sens de cet écoulement, d'une distance suffisante pour que la coalescence des bulles provenant d'un tube poreux avec les bulles provenant de l'autre tube poreux soit évitée ou contrôlée. Dans le cas où le gaz est destiné à se dissoudre dans le liquide, la distance entre deux tubes situés en aval l'un de l'autre devra être telle que le gaz émis par le tube poreux amont soit à peu près complètement dissous avant que le liquide n'atteigne le tube poreux situé en aval. Au cas où les bulles ne se dissolvent pas entièrement, même au bout d'un temps assez long, la position relative des tubes poreux amont et aval devra être choisie pour que le phénomène de coalescence reste dans des limites acceptables. Suivant une disposition plus avantageuse, au cas où les caractéristiques de l'installation le permettent, on prévoira que le dispositif ne comporte pas de tubes poreux situés l'un en aval de l'autre dans le sens de l'écoulement. De nombreux modes de réalisation du dispositif peuvent être prévus. Selon une disposition particulièrement simple, le collecteur a sensiblement un axe de symétrie s'étendant dans la direction de l'écoulement, et les tubes poreux sont dans des plans radiaux par rapport audit axe. Dans certains cas, pour créer un effet de tourbillonnement, les points de raccordement des tubes poreux avec le collecteur sont disposés le long d'une ou plusieurs lignes en hélice. En outre, pour créer un effet de brassage, les points de raccordement des tubes poreux avec le collecteur ont avantageusement une répartition sensiblement uniforme. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise à l'aide d'un exemple pratique illustré à l'aide des dessins, parmi lesquels Figure 1 est une vue de côté, en perspective, d'un dispositif conforme à l'invention disposé dans un écoulement vertical, Figure 2 représente une variante du dispositif de la figure 1, Figure 3 est une vue de dessous du dispositif de la figure 2. Figures 4 et 5 sont des vues en élévation et de côté d'un dispositif placé dans un écoulement horizontal. La figure 1 montre un écoulement, symbolisé par les flèches 1 d'un liquide à traiter par injection de gaz, ici des eaux résiduaires à traiter par injection d'oxygène. L'écoulement est limité par les parois 2 d'un conduit vertical, dans lequel le liquide s'écoule en descendant. Le dispositif comprend un collecteur 3, de forme générale tronconique effilée vers le bas, ayant un axe AA parallèle à l'écoulement de liquide, relié, par l'intermédiaire d'un capuchon 4, également tronconique, mais de conicité opposée et d'un conduit 5, à une source d'oxygène. Le collecteur 3 porte, sur sa surface périphérique, une série de tubes poreux 6 en acier inoxydable fritté, destinés à introduire l'oxygène, sous forme de petites bulles, dans l'écoulement de liquide. Les tubes 6, qui sont fermés à leur extrémité opposée au collecteur, font tous avec la verticale un angle d'environ 50 . Pour des raisons de clarté, tous les tubes 6, sauf un, ont été représentés seulement par un trait correspondant à leur axe. La répartition des points 7 où les tubes 6 sont reliés au collecteur 3 dessine, sur la paroi de ce collecteur, plusieurs hélices ayant un axe vertical qui coïncide avec l'axe AA du collecteur. Comme le montre clairement la figure 1, les tubes 6 dessinent ainsi une figure analogue à celle d'un escalier à vis dont les marches seraient inclinées vers le bas à partir du centre. On comprend que cette disposition a pour effet de donner à l'écoulement une forme tourbillonnaire, symbolisée par la flèche 8, en aval du dispositif. La figure 2 montre un dispositif analogue à celui qui est représenté à la figure 1. La différence réside simplement dans le fait que les points 7 de raccordement des tubes 6 au collecteur 3 ne sont pas répartis selon des hélices, mais présentent une répartition sensiblement uniforme. L'écoulement de liquide dans ce cas n'a pas tendance à être mis en tourbillonnement dans son ensemble, mais il subit un brassage efficace en passant à proximité des tubes 6. On observera qu'aucun tube 6 ne se trouve exactement en aval d'un autre tube 6. Leur répartition, en vue de dessous, c est-à-dire dans une direction parallèle à l'écoulement, comme représenté à la figure 3, forme une étoile à branches distinctes, sans superposition. I1 en résulte que les bulles émises par un tube poreux situé en amont et entraînées par l'écoulement de liquide ne rencontrent pas, dans leur majorité, d'autres bulles émises par un tube poreux situé exactement en aval. Les phénomènes de coalescence entre bulles sont donc réduits. Comme on l'a dit plus haut, cela est un résultat favorable, parce que la coalescence provoque la formation de bulles plus grosses, qui sont moins efficaces pour le traitement. Dans le cas de la figure 1, l'écoulement du liquide n est pas rectiligne dans son ensemble, puisque la disposition des tubes poreux le rend tourbillonnaire. Les observations ci-dessus restent valables en ce qui concerne la coalescence. Si le phénomène tourbillonnaire est peu important, la vue de dessous sera voisine de celle de la figure 3. Le choix entre une structure telle que celle de la figure 1, ou une structure telle que celle de la figure 3, dépend de considérations multiples, telles que la vitesse et la pression de l'écoulement, et la vitesse de réaction du gaz injecté avec le liquide, ou de dissolution de ce gaz dans le liquide. On a représenté, aux figures 4 et 5, une disposition concernant un écoulement dont la direction horizontale est symbolisée par les flèches 10. Le collecteur 3 est sensiblement analogue à celui des figures 1 à 3, et il est de structure analogue. Les tubes 11 ont des inclinaisons par rapport à la direction de l'écoulement qui varient selon leurs directions : les tubes llA dirigés vers le haut font, avec la direction de l'écoulement, un angle plus faible que les tubes llB placés en partie basse. En effet, les impuretés plus lourdes que l'eau qui rencontrent les tubes llA placés en partie haute doivent s'échapper en glissant le long de ces tubes, alors que les impuretés qui rencontrent les tubes 6B peuvent descendre plus facilement vers le bas. On observera également, en regardant la figure 5, que la longueur des tubes n'est pas la même pour tous : elle varie pour s'adapter à la forme des parois 2 du conduit. Cette particularité peut, bien entendu, être prévue aussi dans le cas des figures 1 à 3. A titre d'exemple, un dispositif analogue à celui qui est représenté à la figure 2 a été utilisé dans un écoulement vertical, à l'amont d'un siphon, avec un débit de 60 m3/heure. Le but attendu était de réaliser une aérobiose en aval du point d'injection , et de faire disparaître les sulfures par réaction avec l'oxygène, ainsi que de réduire les émissions de sulfure d'hydrogène. I1 a été constaté qu ' avec une injection de 20 mg d'oxygène par litre, on obtenait un rendement proche de 100 %, c'est-à-dire, notamment, une disparition totale des sulfures, la teneur en oxygène dissous était encore décelable à la sortie du siphon, tout en restant dans les limites acceptables. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour injecter un gaz à l'intérieur d'un liquide en écoulement, ce dispositif comportant plusieurs tubes poreux (6) immergés dans le liquide, fermés à une extrémité et ouverts à une autre extrémité, ces tubes étant portés par un collecteur d'alimentation commun (3) relié à une source dudit gaz, le collecteur ayant un espace intérieur commun qui communique avec l'extrémité ouverte des tubes poreux, caractérisé en ce que les tubes (6) ont une direction générale qui fait un angle avec la direction (1) de l'écoulement compris entre 20 et 70 , les tubes avançant dans le sens de l'écoulement en s'écartant du collecteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux tubes poreux (6) situés en aval l'un de l'autre dans le sens de l'écoulement de liquide sont écartés, dans le sens de cet écoulement, d'une distance suffisante pour que la coalescence des bulles provenant d'un tube poreux avec les bulles provenant de l'autre tube poreux soit évitée ou contrôlée. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il ne comporte pas de tubes poreux (6) situés l'un en aval de l'autre dans le sens de l'écoulement. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le collecteur a sensiblement un axe de symétrie (AA) s'étendant dans la direction de l'écoulement, et les types poreux sont dans des plans radiaux par rapport audit axe. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pour créer un effet de tourbillonnement, les points (7) de raccordement des tubes poreux (6) avec le collecteur (3) sont disposés le long d'une ou plusieurs ligne en hélice. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que, pour créer un effet de brassage, les points (7) de raccordement des tubes poreux (6) avec le collecteur (3) ont une disposition sensiblement uniforme.