Brevet FR2776942A1 — publié le 19991008

La présente invention concerne un dispositif pour disperser un gaz sous la forme de bulles dans un liquide. Ceci pour effectuer des réactions chimiques, biochimiques ou de simples échanges physiques entre le gaz et le liquide ou le gaz et un solide en suspension dans le liquide. Ces operations se font traditionnellement dans des appareils appelés colonnes à bulles, cuves agitées ou, dans les grands bassins de traitement des eaux, aérateurs de surice. Dans les colonnes à bulles la dispersion est réalisée par un distributeur constitué d'une plaque ou de tubes, judicieusement perforés pour répartir le gaz sur toute la section de la colonne. Dans les cuves agitées le gaz est injecté sous un agitateur qui en effectue la dispersion. Dans les aérateurs de surface, gaz et liquide sont brassés par un agitateur situé près de la surface. Le dispositif de dispersion, objet de l'invention, ne comporte ni distributeur ni agitateur. I1 est constitué d'un orifice émetteur d'un jet de liquide, d'un tube et d'une plaque. - L'orifice est situé près de la surface de la dispersion réalisée par le dispositif. Dispersion qui sera ci-dessous appelée émulsion Cet orifice émet un jet de liquide vertical, dirigé vers le bas, dans un tube qui lui est coaxial où il entraîne le gaz qu'il a aspiré au-dessus de l'émulsion. - Ce tube coaxial est ouvert au-dessus du niveau de l'émulsion pour recevoir le jet et le gaz aspiré par celuici. I1 est équipé dans sa partie haute, de trous immergés dans l'émulsion et, dans Sa partie basse, face à sa sortie d'une plaque horizontale appelée plaque d'impact - Le jet, porteur du gaz qu'il a aspiré à la surface de l'émulsion et de l'émulsion qui a pénétré par les trous situés en haut du tube coaxial vient, guidé par le tube coaxial s'écraser dessus. Tout le gaz véhiculé par le jet se trouve de ce fait dispersé dans le volume situé au-dessus de la plaque. Aucune bulle de gaz n'est présente dans le volume situé en dessous. On peut y effectuer un prélèvement de liquide pour, par exemple, alimenter le jet. Pour illustrer l'invention, la figure 1 donne deux exemples de réalisation d'un tel dispositif et de leur installation dans une cuve. Pour celui installé dans une cuve de 0,48m de diamètre: - L'orifice est un orifice simple (de type à parois mince) de d, = 0,024m d'axe vertical alimenté par un tube de diamètre d = O.050m. Cet orifice est placé à une distance ho=0,2m du niveau de l'émulsion fixé par un déversoir N. Des distances de 0,1 à 0,2m ou de l'ordre de 10 fois le diamètre de l'orifice sont des valeurs préférées La hauteur de l'émulsion est de: 2,3su. - Le tube coaxial à l'orifice a un diamètre de De = 0,057m. Il émerge au dessus du niveau de l'émulsion où il supporte l'orifice en restant assez ouvert pour ne gêner l'accès au jet du gaz G aspiré. Au-dessous, à des distances du niveau de l'émulsion, Xl, X2, X3, de 0,225, 0,325 et 0,48m, il est percé de six trous au total répartis par groupes de deux de 0,027m de diamètre. Face à sa sortie, à une distance de SO = O,030m, se trouve la plaque d'impact horizontale. Une distance Se de 0,5 à 0,6 fois le diamètre De du tube coaxial sont des valeurs préférées. - La plaque d'impact, a un diamètre de P = O,24m. Un diamètre P d'au moins 4 fois le diamètre De du tube coaxial (ou 10 fois celui de l'orifice) sont des valeurs préférées. Sa périphérie est positionnée à une distance lis = 0,2m du fonds de la cuve où est branché l'aspiraticn de la pompe qui alimente l'orifice. Une distance de sa périphérie au fonds d'au moins 3 fois le diamètre Do du tube coaxial (ou 8 fois celui de l'orifice) sont des valeurs préférées. Pour en illustrer le mode de fonctionnement, la cuve est remplie d'eau jusqu'à son déversoir, puis l'orifice est alimenté avec de l'eau, prélevée au bas de la cuve, dont on augmente lentement le débit. Le jet progresse vers le bas du tube Do puis atteint la plaque d'impact sur laquelle il s'écrase en dispersant l'air qu'il a véhiculé. Très rapidement le gaz dispersé est assez abondant pour envahir tout le volume de la cuve situé au- dessus de la plaque d'impact. Puis ceci fait, ce volume d'émulsion s'enrichit de plus en plus en bulles tandis que le déversoir évacue des volumes d'eau égaux à ceux des bulles de gazprésentes dans l'émulsion. Les volumes de bulles par unité de volume d'émulsion ainsi obtenus correspondent en premier à ceux des colonnes à bulles puis atteignent ceux notés dans les cuves agitées puis deviennent supérieurs à ces derniers. Durant cette expérience aucune bulle n'a été véhiculée jusqu'à l'aspiration de la pompe. Pour illustrer les performances, des tests ont été faits selon la méthode usuelle utilisée pour apprécier les performances d'un appareil de dispersion d'un gaz dans un liquide. Cette méthode consiste à mesurer les rétentions en gaz et les débits de transferts obtenus en fonction de l'énergie dissipée pour deux systèmes gaz-liquide: le système air eau pour lequel les bulles générées sont susceptibles de coalescer (appelé système coalescent) et le système air-solution de sulfite de soude (àlOOg/l) pour lequel les bulles ont très peu tendance à coalescer (appelé système non coalescent). Les mesures de débit de transfert sont basées sur la vitesse de solubilisation de l'oxygène pour le premier systéme et sur la vitesse d'oxydation du sulfite de soude pour le deuxième. Les techniques de mesures sont bien établies et connues des hommes de l'art. Les dispositifs testés respectaient en proportions les dimensions données figure 1, mis à part les cuves dans lesquels ils étaient installés et la hauteur du tube coaxial Do Cette dernière étant adaptée à la hauteur HE de l'émulsion dont le niveau était toujours fixé avec un déversoir. Dans les expériences, le diamètre de l'orifice do a varié de 0,008m à 0,024m, la vitesse du liquide à la sortie de l'orifice Vo de 4 àl4m/s, la hauteur de l'émulsion HE de 0,50 à zoom, le diamètre des cuves T de 0,25 à 0,48m et les puissances dissipées Pw ont atteint 5000 watt par mètre cube d'émulsion. - Les distances mesurées de pénétration Po (en m) du jet dans le tube coaxial D, varient comme (Do/do)2,5 et pour Do = 2,5do selon la relation : Po = 0,07Vo2. Pour Po =Hg les premières bulles atteignent le bas du tube Do. Au de là, la dispersion est bien établie pour Vo qui, d'après la relation, correspond à PO = 1,3HE- Elle est intense à PO = 2HE - L'énergie dissipée par le dispositif, calculée à l'entrée de l'orifice, est en Watt: Pw = K.#L.QL.(Vo2 / 2) où K est le coefficient de l'orifice utilisé (1,57 mesuré dans le dispositif décrit figure 1), QL le débit de liquide (en m3/s) de masse spécifique PL (en kg/m ) émis par l'orifice à la vitesse Vo (en m/s). - Les mesures des rétentions en gaz sa (fraction volumique du gaz dans l'émulsion), des débits de transfert Qr (en m3/s) et des débits de gaz aspirés Qo (en m3/s) ont donné les relations: saVE = a.(Pw/#L) QT = b.(Pw/pL) Qo = c-QL VO OÙ VE est le volume (en m3) de l'émulsion et a, b, c des constantes dont les valeurs sont: en milieu coalescent a=0,127 b=0,063 c=0,20 en milieu non coalescent a-0,26 b=0,46 c=0,25 On remarquera que ces relations sont indépendantes des dimensions des cuves dans lesquelles les expériences ont été faites ainsi que de la hauteur des émulsions. Les avantages par rapport aux colonnes à bulles et aux cuves agitées peuvent être en partie illustrés en comparant: énergie dissipée et débit de transfert obtenu. - En système non coalescent. Les relations relatives aux divers appareils entre le débit de transfert et l'énergie dissipée présentent assez d'analogies pour attribuer à b une valeur à chacun d'eux. Pour les colonnes à bulles, des mesures faites en parallèle à celles effectuées sur le dispositif ont donné b=0,26 (à comparer à 0,46). En cuves agitées, en se plaçant dans les meilleures conditions possibles (agitateur à pales verticales, débit de gaz correspondant à une vitesse superficielle de 0,025m/s énergies dissipées de 2000 à 3000 watt/m ...) la valeur la plus élevée rencontrée pour b est voisine de 0,20 (Midoux N. Des valeurs de l'ordre de 0,10 semblent plus classiques (Van Riet K Trends in Biotech. 1 n 4 113-120 1983 etBottonR et al Chem.Eng.Sci 35 82-89 (1980) - En système coalescent Les relations données pour le dispositif ne sont valables que pour QT/VL Pour QTNL QxJVL= 0,125 S l exige moins de 2000 Watt/m3 de liquide avec le dispositif et plus de 5000 avec une cuve agitée). L'obtention de valeurs supérieures à 0,125 sSl n'est pratiquement pas possible en cuve agitée mais l'est facilement avec le dispositif. Les pertes de performances subies par le dispositif lorsqu'on s'éloigne de la description donnée sont illustrées ci-dessous par quelques exemples, assez inattendus pour certains. - Si l'on veut diminuer la dissipation énergétique en remplaçant l'orifice par un ajutage profilé on assiste à une diminution du débit de gaz aspiré accompagnée d'une baisse du débit de transfert plus importante que celle de la dépense énergétique. Ceci suggère que le débit d'aspiration du jet soit sensible àsa turbulence. - Si l'on supprime les trous immergés situés en haut du tube Do, on note une chute de plus de 200/o sur le débit de gaz aspiré et de plus de 30% sur le débit de transfert. - La suppression du tube Do entraîne une chute totale de la pénétration du jet et une chute de plus de 50% sur les débits de transfert. DJdJ = =2,5 est la valeur préférée pour les grands orifices - Les débits du gaz aspiré chutent de 25 et 50% si l'on gène son accès au jet par des pertes de charge de 0,5 et lm de colonne d'eau. Ceci suggère, lorsque l'application le permet, de l'alimenter avec une légère surpression par rapport au niveau de l'émulsion. - Le débit de transfert est inchangé si l'on remplace l'orifice par plusieurs orifices de même section totale. La pénétration possible diminue. Les avantages rencontrés lors de la mise en application du dispositifs autre que les gains en énergie sont illustrés ci-apres par quelques exemples. - Le dispositif peut, dans une colonne à bulles, remplacer le distributeur qui effectue la répartition du gaz ll peut aussi dans une cuve agitée, remplacer le distributeur de gaz et l'agitateur. Ceci conduit à un nouveau contacteur qui peut, en particulier, intéresser certains procédés délicats. L'énergie est apportée en totalité par le liquide. Les points d'interventions éventuelles en exploitation sont à l'extérieur du réacteur. I1 n'est pas imposée de choisir une hauteur d'émulsion proche du diamètre de la cuve comme pour les cuves à un agitateur. Si la transformation du gaz est faible par passe (oxydations...), le jet peut le recycler aux conditions de l'émulsion '(température, vapeur saturantes). Ces contacteurs peuvent être associés pour réaliser des circulations du liquide et du gaz ainsi que peut le suggérer la science des réacteurs selon les transformations physiques chimiques ou biochimiques envisagées. - La présence de poudres fines susceptibles de jouer un rôle dans des transformations chimiques, biologiques ou physiques n'en modifie pas le fonctionnement. Elles se dispersent avec les bulles. - Les très grands bassins d'épuration des eaux usées sont maillés avec des aérateurs. On peut remplacer les aérateurs par le dispositif décrit. Les orifices et les reprises du liquide pour les alimenter peuvent être reliées à des lignes de distribution et de collecte. On peut aussi conserver les dispositifs isolés les uns des autres en installant pour chacun d'eux sa pompe sur un flotteur qui supporterait aussi le dispositif. La position du dispositif dont celle de l'orifice par rapport au niveau du bassin serait bien maintenue constante. Chaque dispositif étant autonome il est aisé de modifier leurs positions relatives donc d'optimiser à vue l'aération d'un bassin. REVENDlCATIONS 1) Dispositif pour disperser un gaz dans un liquide caractérisé par le fait qu'il est constitué d'un orifice, d'un tube et d'une plaque d'impact. L'orifice est situé au-dessus de la dispersion réalisée qui sera appelée émulsion il émet un jet de liquide dirigé vers le bas. Le tube est coaxial au jet. ll est ouvert au-dessus du niveau de l'émulsion pour recevoir le jet et le gaz aspiré par le jet. Dans sa partie haute, il est équipé, de trous immergés dans émulsion. Dans sa partie basse, il est ouvert vers le bas. La plaque se trouve face à cette ouverture. Le jet, porteur du gaz qu'il a aspiré et de l'émulsion qui a pénétré par les trous situés en haut du tube, vient, guidé par le tube > s'écraser sur la plaque. Tout le gaz véhiculé par le jet se trouve de ce fait dispersé dans le volume situé audessus de la plaque. Aucune bulle de gaz n'est présente dans le volume situé en dessous où il est, de ce fait, facile de prélever du liquide en vue, par exemple, d'alimenter le jet. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'orifice qui émet le jet de liquide est situé à faible distance du niveau du mélange de gaz et de liquide (ou émulsion) présent dans l'appareil où se fait la dispersion. Et que cette distance est maintenue constante. Des distances de 0,1 à 0,2m ou de l'ordre de 10 fois le diamètre de l'orifice sont des valeurs préférées. 3) Dispositif selon les revendications 1, 2, caractérisé par le fait que le tube coaxial su jet émerge au-dessus du niveau de l'émulsion sans gêner l'accès au jet du gaz a aspirer et que si Do est son diamètre et do celui de l'orifice, Doo'2,Sdo est l'une des valeurs préférées 4) Dispositif selon les revendications 1, 2,3 caractérisé par le fait que le tube coaxial au jet est percé à sa partie supérieure de trous immergés pour permettre à de l'émulsion d'y pénétrer afin d'être, ainsi que le gaz aspiré par le jet, véhiculée par ce dernier vers la plaque d'impact. 5) Dispositif selon les revendications 1,2,3,4 caractérisé par le fait que si P est le diamètre de la plaque et So sa distance à la sortie du tube coaxial, une distance So de 0,5 à 0,6 fois le diamètre Do du tube coaxial et un diamètre P d'au moins 4 fois (ou 10 fois celui de l'orifice) sont des valeurs préférées. 6) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 caractérisé par le fait que si le liquide pour alimenter le jet est repris au fonds de l'appareil dans lequel est réalisée la dispersion, une distance de la périphérie de la plaque aux parois du fonds d'au moins 3 fois le diamètre Do du tube coaxial (ou 8 fois celui de l'orifice) sont des valeurs préférées. 7) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 caractérisé par le fait que l'orifice est un orifice de type parois mince alimenté par un tube d'environ deux fois son diamètre et qu'il peut être remplacé, à surface totale constante, par plusieurs orifices à parois mince. 8) Utilisation du dispositif selon les revendications de I à 7 pour remplacer le répartiteur de gaz dans les colonnes à bulles, le distributeur de gaz et l'agitateur dans les cuves agitées ainsi que les aérateurs dans les bassins de traitement des eaux usées. 9) Utilisation du dispositif selon les revendications 1 à 7 pour disperser, en même temps que le gaz, des poudres fines susceptibles de jouer un rôle dans des transformations chimiques, biochimiques ou physiques.