Brevet FR2782022A1 — publié le 20000211

La présente invention est relative à un appareil permettant de dissoudre un gaz dans un liquide. Un tel appareil est plus particulièrement adapté, mais non exclusivement, à la dissolution d'oxygène gazeux dans de l'eau douce ou de l'eau de mer. Des applications envisageables sont celles de l'oxygénation d'eau pour l'élevage agricole, de l'eau de rivière pauvre en oxygène, des lagunes et des effluents en cours de traitement en station d'épuration. Par le terme "gaz", on entend aussi bien un gaz pur qu'un mélange de plusieurs gaz. La dissolution de gaz dans des liquides fait habituellement appel à des techniques permettant d'augmenter la surface d'échange entre le gaz et le liquide à traiter, dans un réacteur, sous une pression plus ou moins importante. Pour ce faire, il est nécessaire de créer des bulles de gaz dans le liquide. Ce but peut être atteint au moyen d'un dispositif poreux, d'un agitateur (turbine), etc. Une alternative consiste à générer, avec l'énergie propre du liquide, un foisonnement de bulles dans le liquide lui donnant l'apparence d'une émulsion, au sein d'un réacteur o le gaz à dissoudre est confiné. On a déjà proposé des appareils statiques de ce genre, qui comportent une pompe de prélèvement d'une fraction du liquide et de réinjection dans ce dernier sous la forme d'au moins un jet sous pression, en vue d'y former un foisonnement de bulles, ainsi que des moyens d'amenée de gaz à la surface du liquide à traiter. Par le terme "statiques", on entend des appareils disposés à proximité immédiate de l'étendue d'eau à traiter, par exemple sur le bord d'un bac de pisciculture. Ces appareils sont lourds et encombrants. Pour pallier ce dernier inconvénient, il est nécessaire de prévoir des réservations dans lesquelles peuvent être mis en place les appareils. De plus, ils sont difficilement déplacçables. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. En d'autres termes, elle a pour but de proposer un appareil du type décrit plus haut qui n'encombre pas les alentours de l'étendue d'eau à traiter, et qui soit maniable et compact. Comme précisé plus haut, il s'agit d'un appareil de dissolution de gaz dans un liquide, qui comporte une pompe de prélèvement d'une fraction dudit liquide et de réinjection dans ce dernier sous la forme d'au moins un jet sous pression, en vue d'y former un foisonnement de bulles, ainsi que des moyens d'amenée de gaz à la surface du liquide en vue de sa dissolution. Selon une caractéristique particulièrement remarquable de l'invention, cet appareil est prévu flottant. De ce fait, il peut être mis en place directement sur l'étendue d'eau à traiter, sans en encombrer les alentours. Les seuls éléments amenés à venir se placer en périphérie de l'étendue d'eau sont les moyens d'alimentation en énergie de la pompe, par exemple des fils électriques, et les moyens d'alimentation en gaz, par exemple un tuyau. Par ailleurs, selon une mode de réalisation particulier, l'appareil comporte deux flotteurs disposés parallèlement. Une telle disposition permet de donner une parfaite stabilité à l'appareil. Selon une variante, les flotteurs sont reliés par une plaque qui supporte ladite pompe. Ainsi, l'appareil a l'aspect général d'un petit catamaran. Le fait que la plaque intermédiaire supporte la pompe donne une certaine compacité à l'appareil. Dans un mode de réalisation particulier, lesdits flotteurs abritent les moyens de réinjection du liquide sous forme de jets et d'amenée de gaz. Ainsi, les flotteurs ont une double fonction. La première est d'assurer la flottaison de l'appareil. La seconde est d'abriter les moyens permettant de dissoudre le gaz dans le liquide. On a donc affaire à un appareil peu volumineux, dont les éléments fonctionnels sont, pour la plupart, non visibles de l'extérieur. Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses de cet appareil - lesdits flotteurs comportent une plaque percée d'orifices, à travers lesquels s'écoule le liquide sous pression sous forme de jets, ces derniers étant isolés les uns des autres par des déflecteurs, délimitant autant de zones de foisonnement qu'il existe dejets; - lesdits flotteurs comprennent une zone formant piège à bulles, qui est séparée des zones de foisonnement par une cloison; - chaque flotteur comporte un orifice de sortie du liquide traité, dont la section est calibrée pour conserver une pression interne dans le flotteur à un niveau souhaité; - chaque llotteur comporte un tuyau de purge du gaz; - la section du tuyau de purge est calibré pour évacuer seulement le gaz excédentaire; - l'appareil comporte une seule et unique arrivée de gaz qui se sépare en deux conduits débouchant chacun dans un flotteur, les sections de ces conduits étant identiques, de manière à répartir le gaz de façon égale dans les deux flotteurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation non limitatif. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue simplifiée en bout d'un appareil conforme à l'invention, en place à la surface d'une étendue de liquide; - la figure 2 est une vue, selon un plan de coupe longitudinal et vertical d'un des flotteurs de l'appareil; - la figure 3 est une vue simplifiée du flotteur de la figure 2, mais vu selon un plan de coupe vertical, orthogonal au précédent; - la figure 4 est un schéma de côté d'une variante de l'appareil comportant des roues et une poignée de manoeuvre. Comme précisé plus haut dans la description, la principale caractéristique de l'appareil de dissolution de gaz dans un liquide conforme à l'invention est d'être un appareil flottant. Dans les formes de réalisation qui seront décrites ci-après, l'appareil comporte deux flotteurs 2 disposés parallèlement. Il s'agit de flotteurs identiques qui ont la forme de longs boudins de forme cylindrique dont les extrémités ont une forme bombée. Ils sont par exemple réalisés en une résine synthétique telle que de la mousse de polyuréthane. Celle-ci constitue la paroi 20 des flotteurs. Cette paroi est relativement peu épaisse au niveau du sommet et de la base des flotteurs. Par contre, elle est plus épaisse au niveau des extrémités bombées qu'elle remplit complètement, ainsi que latéralement. Le reste de l'espace interne des flotteurs est creux. Comme le montre particulièrement la figure 1, les deux flotteurs 2 parallèles sont reliés par une plaque intermédiaire 3, par exemple en une matière plastique légère et résistante. Elle y est fixée par tout moyen approprié connu de l'homme du métier. Il s'agit, par exemple, d'une plaque en polyester chargée en fibres de verre. Conformément à une caractéristique de l'invention, cette plaque supporte la pompe P qui permet de prélever des fractions du liquide E à traiter, en vue de la dissolution de gaz dans celui-ci. Dans l'exemple présenté ici, la pompe P est reliée à la sous-face de la plaque 3 par des jambages 30. Dans une variante de réalisation, la pompe pourrait être prévue au- dessus de la plaque, avec des moyens d'aspiration de liquide agissant sous celle-ci. La pompe est de préférence de type électrique et est alimentée en énergie électrique via une liaison filaire branchée en bordure de l'étendue de liquide E à traiter. En plus d'assurer le support de la pompe P, la plaque 3 a également une fonction de dispositif antivortex, c'est-à-dire d'éviter l'aspiration d'air en même temps que le liquide. Il est bien entendu que la disposition de la pompe P par rapport à la plaque 3 est choisie pour ne pas en compromettre l'équilibre. L'espace intérieur creux des flotteurs est mis à profit pour y abriter les moyens de réinjection du liquide prélevé par la pompe et d'amenée de gaz, dans le but de le dissoudre dans ledit liquide. La structure interne des flotteurs est particulièrement visible aux figures 2 et 3. Dans la mesure o les deux flotteurs sont identiques, un seul a été représenté sur les figures. Une des extrémités bombées du flotteur 2 reçoit par une tubulure 4 dont l'extrémité formant saillie transversalement hors du flotteur est connectée à la pompe P précitée. Cette tubulure est disposée obliquement et présente une pente ascendante depuis l'extérieur vers l'intérieur du flotteur. Sa seconde extrémité débouche dans une chambre d'admission de liquide , disposée en partie supérieure dudit flotteur. Cette chambre est délimitée vers le haut et latéralement par le matériau même du flotteur constituant une cloison 20. Elle est délimitée en partie inférieure par une plaque 50 dite "plaque à jets", par exemple métallique, dont une partie centrale est percée d'orifices 51 en forme de buses convergentes vers le bas. Le flotteur tel que représenté à la figure 2 est dans une position de flottaison relativement stable, de sorte que la plaque 5 précitée occupe alors une position horizontale. En dessous de la plaque 5, s'étendent, à distance régulière, une série de déflecteurs parallèles 60. Dans le cas représenté ici, ces déflecteurs s'étendent perpendicu- lairement à la plaque 5, c'est-à-dire verticalement et transversalement. Ainsi que cela est visible à la figure 3, les déflecteurs, relativement étroits, sont fixés à la sous-face de la plaque 50, mais ne sont pas rattachés, aussi bien vers le bas que latéralement, à la paroi 20 du flotteur. Cela signifie qu'il existe un petit espace entre les bords latéraux des déflecteurs et la paroi 20, ce qui permet de faire communiquer entre eux les intervalles séparant deux déflecteurs voisins. Un même espace libre existe entre le bord inférieur des déflecteurs et la paroi. Il est à noter que chaque paire de déflecteurs s'étend de part et d'autre d'un orifice 51. Un tuyau de purge 52 équipe chacun des flotteurs. Ce tuyau débouche au dessus de la paroi supérieure 20 desdits flotteurs et son extrémité inférieure descend sensiblement jusqu'à mi-hauteur des déflecteurs 60. Du même côté que la tubulure 4, mais légèrement en dessous de celle-ci, est prévu un petit tuyau 90 par lequel, comme on le verra plus loin, s'échappe le liquide dans lequel le gaz a été dissous. Parallèlement aux déflecteurs 60 s'étend, à partir du fond du flotteur, une cloison 8. Elle est située non loin du tuyau 90 et délimite, comme on le verra plus loin, un "piège à bulles". Enfin, une tubulure 70, raccordée à des moyens d'alimentation en gaz, débouche en dessous de la plaque 50. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant. Du liquide prélevé dans l'étendue E à traiter est aspiré en continu par la pompe P et refoulé dans les flotteurs 2 via la tubulure 4. Ce liquide est alors amené dans la chambre 5 et s'écoule alors à travers les orifices 51 sous la forme de jets j. A ce niveau, la vitesse d'écoulement du fluide est, de préférence, supérieure à 1,5 mètre par seconde. Elle dépend, bien entendu, de la pression de liquide fournie par la pompe. Le liquide ainsi projeté remplit progressivement chacun des espaces délimités par les déflecteurs 60, et appelés chambres de foisonnement 6. Dans ces chambres, la puissance des jets j est porteuse d'une énergie qui vient se libérer dans la masse de liquide inférieur, et l'impact du jet sur le liquide engendre un foisonnement de bulles B de gaz G similaire à une émulsion, apte à augmenter la surface d'échange entre ces deux fluides. Le gaz est admis via la canalisation 70, au-dessus du liquide contenu dans les chambres d'émulsion. Le gaz peut migrer d'une chambre de foisonnement à l'autre, via les espaces qui séparent les détflecteurs 60 de la paroi 20 du flotteur. Au fur et à mesure que les bulles générées par les jets disparaissent, il s'opère une dilution progressive du gaz G dans le liquide. Les différents courants générés par les jets j orientent le liquide en partie basse des flotteurs, en direction de la zone 9 appelée "piège à bulles". Ce flux de liquide rencontre la paroi traversale 8 qui, non seulement, contribue à réduire considérablement à vitesse déplacement du liquide, mais le débarasse également des dernières bulles de gaz. Le liquide traité, c'est-à-dire enrichi en gaz, est alors propulsé hors de l'appareil via la tubulure 90. On notera que les différentes chambres de foisonnement contribuent à former autant de foisonnements de bulles qui n'interfèrent pas les uns avec les autres. De la sorte, les fractions de liquide o s'opèrent chaque foisonnement conservent leur teneur en gaz dissous originel. Bien entendu, la hauteur des chambres 6 doit être prévue pour que les jets ne viennent pas en contact avec la paroi de fond du flotteur. La détermination du nombre de chambre est à la portée de l'homme du métier, mais il est bien évident que dans le cas o il n'existe qu'un jet de forte puissance, la hauteur de la chambre de foisonnement devra être prévue très importante. La pression est maintenue à l'intérieur de l'appareil par les tubulures de sortie de liquide et de purge, qui ont une section adaptée pour créer la perte de charge nécessaire. En dehors des orifices 51 de la plaque 50 qui engendre une perte de charge souhaitée pour la vitesse du liquide, les pertes de charge depuis l'entrée jusqu'à la sortie des flotteurs sont limitées au maximum. A titre d'exemple, une pression de 0,5 bar en sortie de pompe se traduit par une pression de 0,4 bar dans les chambres de foisonnement, de sorte que la perte de charge calculée de la plaque 50 est de 0,1 bar. L'alimentation en gaz peut être séparée pour chacun des flotteurs. Dans cette hypothèse, l'appareil comporte un dispositif de régulation et de mesure de pression et/ou un débimètre, ainsi qu'un clapet anti-retour qui empêche le liquide de remonter dans la canalisation lors de l'arrêt de l'alimentation en gaz. Dans le cas o l'arrivée de gaz est commune, on sépare ce flux en deux alimentations distinctes dirigées vers les flotteurs, les tuyauteries 70 correspondantes ayant la même section. Cette séparation peut être réalisée au moyen d'un raccord en forme de "T", les tuyauteries 70 précitées, de même section, formant chacune des ramifications du "T". Il est particulièrement avantageux d'y aménager une restriction de section, par exemple sous la forme d'une rondelle délimitant un orifice calibré, afin que le gaz déjà présent dans un flotteur, ne migre via les tuyauteries, vers l'autre flotteur. De cette manière, on évite une communication de gaz préférentiel vers un flotteur plutôt qu'un autre, ce qui aurait pour effet de déstabiliser latéralement l'appareil. On trouvera dans le tableau ci-après les résultats d'oxygénation d'eau douce, notamment en fonction de la puissance de la pompe. Pompe: puissance absorbée (kw) 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 Teneur oxygène à l'entrée (mg/l) 11,8 12,5 12,6 12,9 11,8 Teneur oxygène à la sortie (mg/l) 32,3 36,0 37,8 40,6 41,0 Quantité d'oxygène transférée (g/h) 821 1010 1088 1390 1489 Quantité d'oxygène injectée (g/h) 884 1156 1603 1603 2754 Rendement de dissolution (%) 92,8 87,0 67,8 86,0 54,0 Quantitéd'O2 dissous par kw (kg/kw) 0,82 1, 01 1,09 0,93 0,99 Dans la forme de réalisation de la figure 4, l'appareil est pourvu de roues 32 et d'une poignée 31, solidaire de la plaque 3, destinés à en faciliter le déplacement sur le sol S. REVENDICATIONS 1. Appareil de dissolution de gaz (G) dans un liquide (E), qui comporte une pompe (P) de prélèvement d'une fraction dudit liquide (E) et de réinjection dans ce dernier sous la forme d'au moins un jet (j) sous pression, en vue d'y former un foisonnement de bulles, ainsi que des moyens d'amenée de gaz (G) à la surface du liquide (E) en vue de sa dissolution, caractérisé par le fait qu'il s'agit d'un appareil flottant. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte deux flotteurs (2) disposés parallèlement. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits flotteurs (2) sont reliés par une plaque (3) qui supporte ladite pompe (P). 4. Appareil selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que lesdits flotteurs (2) abritent les moyens de réinjection du liquide (E) sous forme de jets et d'amenée de gaz (G). 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits flotteurs (2) comportent une plaque (50) percée d'orifices (51), à travers lesquels s'écoule le liquide sous pression sous forme de jets (j), ces derniers étant isolés les uns des autres par des déflecteurs (60) délimitant autant de zones de foisonnement (6) qu'il existe de jets (j). 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits flotteurs (2) comprennent une zone formant piège à bulles (9), qui est séparée des zones de foisonnement (6) par une cloison (8). 7. Appareil selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que chaque flotteur (2) comporte un orifice de sortie (90) du liquide traité, dont la section est calibrée pour conserver une pression interne dans le flotteur (2) à un niveau souhaité. 8. Appareil selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que chaque flotteur (2) comporte un tuyau (52) de purge du gaz (G). 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la section du tuyau (52) de purge est calibré pour évacuer seulement le gaz excédentaire. 1 0. Appareil selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte une seule et unique arrivée de gaz qui se sépare en deux conduits (70) débouchant chacun dans un flotteur (2), les sections de ces conduits (70) étant identiques, de manière à répartir le gaz de façon égale dans les deux flotteurs (2).