Brevet FR2736279A1 — publié le 19970110

DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif pour la dissolution d'un gaz dans un liquide. Le dispositif est particulièrement destiné à la dissolution de l'air dans l'eau, mais peut être utilisé pour la dissolution de n'importe quel gaz dans n'importe quel liquide. Les dispositifs existants de dissolution d'un gaz dans un liquide peuvent être regroupés dans deux catégories: A/ Dispositifs immergés basés sur la diffusion du gaz dans le liquide sous forme de bulles, la dissolution du gaz dans le liquide étant effectuée au contact des billes du gaz avec le liquide. De leurs coté les dispositifs immergés peuvent être classés selon la méthode de diffusion du gaz utilisée. Ils peuvent utiliser: - des éléments perforés diffusant des bulles de taille importantes, - des diffuseurs poreux permettant d'obtenir des bulles de taille beaucoup plus fine, - différents types d'éjecteurs ou turbines dispersant du gaz aspiré par l'éjecteur ou la turbine ou introduit sous pression. B/ Dispositifs non immergés ou semi immergés dont le fonctionnement est basé sur le brassage ou la dispersion du liquide dans le gaz, la dissolution du gaz étant effectué au contact de la surface ou des gouttes du liquide avec le gaz ambiant. Sur le plan technique et fonctionnel tous ces dispositifs donnent satisfaction d'une manière générale, car ils remplissent leur fonction une certaine quantité de gaz (selon les besoins ou les possibilités) est dissoute dans le liquide. Sur le plan de l'efficacité de point de vu économique et plus précisément énergétique, ces dispositifs présentent certains inconvénients. Les bulles de gaz crées par les dispositifs de la catégorie A/ ont souvent une taille importante et par conséquent la surface de contact avec le liquide est réduite. Le temps de contact est également réduit, car les bulles remontent vers la surface du liquide à une vitesse variable en fonction de leur taille et des caractéristiques du gaz et du liquide. Résultat; quelques pour-cent seulement du volume du gaz injecté dans le liquide sont effectivement dissous. A titre d'exemple, dans le cas de l'eau et de l'air seulement 8 à 12 % de l'air est dissous ainsi en conditions industrielles. Par conséquent l'énergie mise en oeuvre pour l'injection du gaz dans le liquide est mal utilisée. Bien que légèrement meilleure, l'efficacité des dispositifs de la catégorie B/ reste également assez faible, car l'énergie mise en oeuvre sert à brasser, à soulever souvent assez haut et à projeter souvent assez loin des masses de liquide souvent très importantes et ceci dans le seul but de provoquer un phénomène "secondaire" qui en sois même ne consomme que très peu d'énergie. Le dispositif selon l'invention pourrait être classé dans la catégorie AI car il est immergé et il utilise un diffuseur du gaz similaire aux diffuseurs poreux. Néanmoins l'utilisation et le rôle du diffuseur, ainsi que les condition de mise en oeuvre du gaz sont très différents par rapport au constructions existantes. L'efficacité de la dissolution d'un gaz injecté dans un liquide dépend, en dehors des facteurs purement physiques tels que la solubilité du gaz dans le liquide, la présence de différents additifs dans le liquide modifiant ses caractéristiques, la salinité, la température, la pression etc., de la surface de contact entre le gaz et le liquide et donc de la taille des bulles de gaz. Plus les bulles sont fines, plus la surface de contact augmente et plus le temps de contact augmente,car leur vitesse ascensionnelle diminue. Il est donc logique que les dispositifs utilisant les bulles les plus fines soient les plus efficaces. La taille des bulles dépend elle aussi de plusieurs facteurs tels que les caractéristiques propres du gaz et du liquide, les additifs présents dans le liquide, la salinité, la viscosité du liquide, les conditions d'introduction du gaz dans le liquide.. D'une manière générale, les diffuseurs immergés de gaz existant sont fixes. La taille des bulles diffusées dépend alors de trois facteurs essentiels - la taille des pores du diffuseur - plus les pores sont fines et plus les bulles sont fines, - les caractéristiques du gaz, du liquide et de la surface du diffuseur, déterminant, lors de la croissance de la bulle, à quelle taille atteinte, les forces d'adhésion retenant la bulle à la surface du diffuseur deviendront inférieurs à la force de flottement, autrement dit à quelle taille la bulle se décrochera de la surface du diffuseur pour partir vers la surface du liquide, - la vitesse de sortie du gaz à travers les pores du diffuseur - avec l'augmentation de cette vitesse, et donc de la vitesse de la formation de la bulle, la taille des bulles augmente et dépasse "la taille de décrochement" déterminée en cas d'une formation lente et progressive de la bulle (c'est une des raisons pour lesquelles des diffuseurs d'une porosité assez fine donnent parfois des bulles assez grosses). Une fois la bulle de gaz décrochée de la surface du diffuseur, la vitesse de sa dissolution dans le liquide dépend de la force de frottement et donc "d'échange" de molécules entre elle et le liquide. Le dispositif selon l'invention permet de créer des conditions d'injection du gaz dans le liquide dans lesquelles la formation de bulles de gaz proprement dit est évitée. Selon une première caractéristique, le gaz est injecté à travers un diffuseur qui se déplace à une vitesse importante dans le liquide tout en diffusant le gaz, de façon à ce que, dû au frottements entre la surface du diffuseur et le liquide provoqué par ce déplacement, les bulles de gaz en cours de formation soient "arrachées" bien avant d'avoir atteint "la taille de décrochement" et que le gaz sortant des pores du diffuseur soit "emporté" et instantanément dissous dans le liquide sans avoir le temps de former une bulle. De cette façon la totalité du gaz injecté par le diffuseur est dissoute instantanément et sans pertes. L'élément principal du dispositif selon l'invention est donc le diffuseur mobile de gaz qui a la fonction non pas de disperser des bulles de gaz dans le liquide (comme une turbine ou un éjecteur), mais d'introduire directement les molécules du gaz dans le liquide sans former des bulles. La mise en oeuvre du diffuseur mobile de gaz peut être réalisée de plusieurs façons [: Le diffuseur peut tourner dans le liquide; - le diffuseur peut être monté sur un axe intérieur ou extérieur. - le cas échéant, le diffuseur peut servir lui-même d'axe de rotation - le diffuseur peut avoir une forme plate, cylindrique, conique, cylindro-conique ou autre forme géométrique ou non géométrique. - le diffuseur peut être construit en métal, céramique, plastique, gomme ou autre matériau rigide ou souple. - le diffuseur peut être construit en matériau composite composé de plusieurs couches ou éléments de caractéristiques et fonctions différentes. - les orifices de passage du gaz peuvent être de conception variable; pores, trous, fentes ou combinés, de forme fixe ou variable. - le diffuseur peut être mis en rotation par un moyen extérieur ou par un moteur intégré. - le gaz peut être injecté de l'intérieur vers l'extérieur par rapport à l'axe de rotation ou bien de l'extérieur vers l'intérieur, si le liquide passe à l'intérieur du diffuseur. - le dispositif peut être équipé ou non d'un élément assurant la circulation du liquide (par ex. une élise) afin d'évacuer rapidement les portions de liquide déjà enrichies en gaz. Cette circulation peut être assurée également par un moyen extérieur. 17 Le diffuseur peut vibrer dans le liquide; - le diffuseur peut être monté libre ou sur un support vibrant. - les vibration peuvent être provoquées par un dispositif extérieur ou intégré au diffuseur. [7 Le cas échéant, le diffuseur peut osciller ou effectuer un autre mouvement permanent ou irrégulier, cyclique ou non-cyclique. L'alimentation en gaz du diffuseur peut être effectuée de plusieurs façons: - le gaz peut arriver sous pression dans le diffuseur, la pression étant fournie par un dispositif extérieur. - le gaz peut arriver sous pression dans le diffuseur, la pression étant fournie par un dispositif intégré au diffuseur, à son support ou à son axe. La description d'un mode de réalisation qui suit ci-dessous n'est qu'un exemple et est à considérer à titre indicatif et non limitatif, étant donné que plusieurs différentes conceptions du dispositif sont possibles. Elle décrit un dispositif selon l'invention à diffuseur cylindrique tournant avec alimentation en gaz assurée par une source de pression extérieure. La figurez montre l'aspect générale du dispositif avec entraînement par moteur électrique. La figure2. montre une coupe horizontale du dispositif. La figure3. montre une coupe verticale d'une partie du dispositif et plus précisément l'élément à travers lequel le gaz est introduit dans le diffuseur tournant. Selon une première définition le dispositif est constitué d'un diffuseur poreux de forme cylindrique (1) qui peut être construit en acier inoxydable frété, en céramique ou autre matériau poreux. Ce diffuseur est fixé sur un axe (2) par l'intermédiaire de deux supports (3) et (4). Le support supérieur (3) est fixé sur l'axe (2), et le support inférieur (4) est coulissant sur l'axe (2) de façon à permettre la mise en place et la fixation du diffuseur (1). Le "blocage" du diffuseur (1) entre les deux supports (3) et (4) est faite par l'intermédiaire des deux écrous (5). L'étanchéité est assurée par deux joints (6) et (7). Le gaz est introduit à travers un raccord (8) dans le pallier inférieur (9) qui de son coté est fixé sur le support de l'ensemble (10) sur lequel est fixé également le moteur électrique (11) assurant la rotation rapide de l'axe et du diffuseur. Le maintien de l'extrémité inférieure de l'axe (2) est assuré par un roulement (12). Une fois introduit dans le pallier (9), le gaz passe par le canal axial (13) pour pénétrer à l'intérieur du diffuseur (1).L'étanchéité au niveau de l'injection du gaz est assurée par une garniture mécanique (14) qui n'est montrée que schématiquement, car sans importance par rapport à l'objet de l'invention. Un des deux supports - dans le cas présent le support inférieur (4) peut être équipé de palles (15) assurant la circulation du liquide et l'évacuation des portions du liquide déjà entrées en contact avec le diffuseur-et enrichies en gaz. Les dimensions et la porosité du diffuseur (1), ainsi que la vitesse de rotation peuvent être très variables - à titre indicatif et non limitatif le diamètre du diffuseur pourrait être de quelque centaines de millimètres, la porosité - de quelques microns à quelques dizaines de microns, et la vitesse de rotation - de 2900 tours/minute (ces valeurs sont sans rapport direct avec le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention). Il est entendu que le dispositif décrit ci-dessus doit être immergé dans le liquide et que l'alimentation en gaz doit être assurée par une source extérieure. Le dispositif décrit ci-dessus pourrait servir pour l'aération de l'eau. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide caractérise en ce qu'il comporte un diffuseur de gaz immergé dans le liquide effectuant un mouvement rapide par rapport à ce liquide tout en diffusant le gaz pendant son mouvement. 2/ Dispositif selon la revendication 1/ caractérisé en ce que le mouvement-du diffuseur, et plus précisément la surface de diffusion du gaz, est assuré par une rotation, une vibration, une oscillation ou un autre mouvement cyclique ou non-cyclique, périodique ou permanent. 3/ Dispositif selon les revendications 1/ et 2/ caractérisé en ce que la forme du diffuseur mobile est plate, cylindrique, conique, cylindroconique, sphérique, géométrique ou non géométrique. 4/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que le diffuseur est libre ou fixé sur un support mobile ou fixe. 5/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que le diffuseur est construit en métal, plastique, céramique, gomme, toile ou autre matériau composite rigide ou souple ou alors constitué de plusieurs éléments en matériaux différents et remplissant des fonctions différente. 6/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que les orifices de diffusion du gaz à travers le diffuseur sont des pores, des trous, des fentes, de forme combinée et de fonction différentes, de forme fixe ou variable, réglables ou nonréglables. 7/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que le mouvement du diffuseur est assuré par un entraînement séparé et extérieur au dispositif selon l'invention, ou bien par un entraînement intégré. 8/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que l'alimentation en gaz du diffuseur est assurée par une source de pression extérieure au dispositif selon l'invention ou par une source intégrée au dispositif. 9/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce qu'il est équipé ou non d'un élément intégré (par ex. une élise) provoquant la circulation forcée du liquide par rapport au diffuseur.