Brevet FR2804884A1 — publié le 20010817

DISPOSITIF DE DIFFUSION DE MICROBULLES D'UN GAZ DANS UN LIQUIDE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif de diffusion de microbulles d'un gaz dans un liquide. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour générer les microbulles nécessaires à la clarification par flottation d'un liquide chargé en matières en suspension. Il peut être utilisé également pour faciliter la dissolution du gaz dans le liquide. Le procédé et le dispositif selon l'invention sont particulièrement destinés à remplacer le dispositif de dissolution d'air (c'est à dire le générateur de microbulles) dans les installations de clarification par flottation à air dissous. ART ANTERIEUR La flottation est un procédé de clarification de liquides chargés en matières en suspension (MES). Ce procédé utilise la propriété de très fines bulles de gaz d'adhérer aux particules (les MES) présentes dans le liquide et de les faire remonter à la surface du liquide. Le liquide est ainsi clarifié. Chaque installation de clarification par flottation est composée de deux éléments - le dispositif de génération des bulles de gaz et le dispositif de séparation des MES (ce dernier est sans rapport direct avec l'invention et ne sera pas considéré). Le dispositif de génération des bulles de gaz peut être conçu de plusieurs manières et avoir, selon la conception, des performances assez différentes. En fonction de la technique de génération des bulles utilisée on peut distinguer les types suivants - diffuseurs statiq - ues L'élément principal de ce type de dispositifs est un corps poreux fermé et immobile dans lequel le gaz est introduit sous pression. La diffusion du gaz se fait à travers les pores. La tailles des bulles dépend essentiellement de la tailles des pores, de la vitesse de sortie du gaz par les pores et de certaines caractéristiques physiques du liquide (température, salinité, présences de produits tensioactifs etc.). Les bulles obtenues avec ce procédé sont assez grosses - plus de 2 mm de diamètre. Par conséquent leur capacité d'adhérer aux particules est faible et leur vitesse de remontée dans le liquide - trop élevée, provoquant des turbulences et perturbant la clarification. Ce type de dispositifs a trouvé très peu d'applications industrielles. - diffuseurs à turbine L'élément principal de ce type de dispositifs est une turbine centrifuge qui est le plus souvent logée dans un corps semi-fermé (comme une pompe centrifuge avec sa turbine). Le gaz est introduit sous pression à l'entrée de la turbine ou bien est aspiré par la dépression crée à l'entrée de la turbine par sa rotation. En passant par la turbine qui tourne à grande vitesse, le gaz est dispersé et mélangé avec le liquide. Le mélange liquide / bulles de gaz est propulsé par la turbine à l'extérieur du corps du dispositif dans le liquide. Les bulles obtenues par ce type de dispositifs sont également grosses - généralement plus de 3 mm de diamètre. A l'échelle industrielle ce type de générateurs de bulles a trouvé des applications essentiellement dans la flottation des minerais et pour la séparation grossière des graisses dans le traitement des eaux résiduaires. - dispositifs de pressurisation La solubilité d'un gaz dans un liquide dépend fortement de la pression. Ainsi, plus la pression augmente, et plus la solubilité du gaz dans le liquide augmente. Dans les dispositifs de pressurisation, le gaz est ainsi mélangé avec le liquide sous pression afin d'augmenter la quantité de gaz dissous dans le liquide. Ensuite, le liquide enrichi (voir saturé) en gaz dissous est remis à la pression atmosphérique. Par conséquent, le surplus de gaz dissous dans le liquide est immédiatement re-largué sous forme de bulles. La tailles des bulles dépend essentiellement de la chute de pression, de la concentration du gaz dans le liquide, de la température et des caractéristiques physiques du liquide. Les bulles obtenus par ce type de dispositifs sont beaucoup plus fines par rapport aux bulles obtenus par les dispositifs précédents - leur diamètre est le plus souvent compris entre 40 et 120 #t (microns). Ces bulles, appelées microbulles adhèrent très bien aux particules et leur vitesse de remontée est faible. Elles sont bien adaptées à la clarification fine des liquides chargés. C'est pourquoi cette technique de génération de microbulles pour la flottation est la plus utilisée dans la pratique. Elle a donné le nom de ce type de clarification qui s'appèle clarification par flottation à air dissous . Les dispositifs de pressurisation sont en général composés de deux éléments : la pompe de pressurisation, qui sert à faire monter la pression dans le liquide - le ballon (ou le tube) de pressurisation, assurant un certain temps de contact nécessaire à la dissolution du gaz dans le liquide. En général, le gaz est injecté dans le circuit entre la pompe de pressurisation et le ballon, ou bien directement dans le ballon. Certains constructeurs utilisent des pompes centrifuge particulières et injectent le gaz directement dans le corps de la pompe pour améliorer le mélange. Les dispositifs de pressurisation sont bien connus et utilisés depuis plusieurs décennies. Ils fonctionnent bien et donnent entièrement satisfaction sur le plan technique. Néanmoins, sur le plan économique, le fonctionnement de ces dispositifs est assez onéreux. En effet, la pression utilisée pour la dissolution est comprise entre 3 à 8 bar, étant le plus souvent de l'ordre de 5 - 6 bar. Cette pression relativement élevée entreine une consommation d'énergie considérable qui est perdue entièrement au moment de la détente. Le coût de fonctionnement entraîné par ce gaspillage d'énergie a toujours limité les applications industrielles de la clarification par flottation à air dissous. Le dispositif selon l'invention apporte une solution moins coûteuse sur le plan énergétique qui permet toutefois d'obtenir des microbulles d'une taille suffisamment petite pour être utilisées pour la clarification par flottation. Le dispositif selon l'invention utilise un élément déjà connu qui a fait l'objet d'une demandes de brevet Français N' 95 08574 (DISPOSITIF DE DISSOLUTION D'UN GAZ DANS UN LIQUIDE). Ce dispositif connu est constitué d'un diffuseur de gaz tournant immergé dans le liquide. Il est conçu pour diffuser le gaz en tournant à très grande vitesse. Cette grande vitesse a pour but de créer un frottement important entre le liquide et la surface du diffuseur diffusant le gaz, le but étant de provoquer l'absorption et la dissolution directe du gaz dans le liquide sans passer par la formation de bulles de gaz. En réalité, le fonctionnement de ce dispositif connu s'est avéré peu satisfaisant. Ce dispositif est en effet très sensible à la pression et au débit du gaz et son fonctionnement est assez instable - la couche de liquide située à proximité du diffuseur est vite saturée en gaz, ce qui provoque l'apparition brutale de grosses bulles de gaz. Le dispositif selon l'invention comprend (entre autre) un diffuseur tournant similaire audit dispositif connu, mais il est utilisé dans une configuration différente et dans des conditions de fonctionnement différentes, l'ensemble étant conçu pour obtenir un résultat globalement différent (justement la formation de bulles de gaz). La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemple de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 représente schématiquement une coupe verticale du dispositif selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement une coupe horizontale A-A du dispositif selon l'invention montré sur la figure 1. La figure 3 représente schématiquement une coupe verticale d'une variante du dispositif selon l'invention. La figure 4 représente schématiquement une coupe horizontale B-B du dispositif selon l'invention montré sur la figure 3. DESCRIPTION DETAILLEE DU DISPOSITIF SELON L'INVENTION Le dispositif selon l'invention permet de diffuser des microbulles de gaz dans le liquide et en même temps d'évacuer immédiatement et en permanence le mélange microbulles / liquide. L'évacuation immédiate et permanente du mélange microbulles / liquide a pour but d'éviter la saturation en gaz des couches du liquide proches du diffuseur qui se traduit par une coalescence des microbulles et donc, par l'apparition de grosses bulles de gaz. Avant de décrire la construction et le fonctionnement du dispositif selon l'invention, il conviendrait de préciser que la taille des bulles diffusées par un diffuseur poreux immobile dépend de la taille des pores, de la vitesse de sortie du gaz à travers les pores et des caractéristiques physique du liquide et du gaz, notamment la tension superficielle entre les deux phases. Le gaz passant par une pore forme dans le liquide une bulle qui grandit progressivement jusqu'à ce que son volume, et par conséquent la force de flottation, devienne supérieure à la force d'adhésion (provoquée par la tension superficielle entre le gaz et le liquide) reliant la bulle à la surface poreuse. A ce moment la bulle se détache de la surface poreuse et part vers la surface du liquide. ( C'est a cause de cette force d'adhésion entre la bulle et la surface poreuse que les bulles diffusées par des pores très fines (quelques microns) arrivent parfois à un diamètre de quelque millimètres avant de se détacher de la surface poreuse.) Si le liquide se déplace par rapport à la surface poreuse, la bulle sera détaché non seulement par la force de flottation, mais aussi par le frottement entre le liquide et la surface poreuse. Dans ce cas la bulle sera arrachée à une taille plus faible que dans le cas d'absence de frottement entre le liquide et la surface de diffusion du gaz, d'où l'intérêt du diffuseur tournant. Le dispositif selon l'invention peut être réalisé de plusieurs façons différentes. Deux variantes A et B sont montrées à titre indicatif et non limitatif - la première sur les figures 1 et 2 et la deuxième - sur les figures 3 et 4. La différence entre les deux variantes du dispositif selon l'invention se trouve au niveau du sens de passage du liquide par rapport à la planéité de rotation du diffuseur. Variante A (fig. 1,2) Selon une première caractéristique, le dispositif selon l'invention comporte un diffuseur tournant de gaz 1 logé dans une enceinte 2 (voir fig. 1 et fig.2). Le gaz est introduit sous pression à l'intérieur du diffuseur par l'intermédiaire de l'espace 3 et le canal 4. L'étanchéité de l'espace 3 est assurée par la garniture mécaniques gaz double cartouche 5 et 6. La cartouche 5 assure l'étanchéité entre l'espace 3 et l'extérieur, et la cartouche 6 - entre l'espace 3 et l'espace interne de l'enceinte 2. Le gaz passe à l'intérieur de la garniture mécanique par un passage 16 prévu à cet effet. Le diffuseur est monté sur un axe 7 supporté par les roulements 8 et 9. La rotation du diffuseur est assurée par un moteur (non montré) par l'intermédiaire de la courroie 10. Le diffuseur 1 est composé de deux disques 11 et 12 et d'une virole poreuse 13 fermant l'espace entre les deux disques. Le corps 2 dans lequel est logé le diffuseur 1 comporte une entrée 14 et une sortie 15. Le dispositif selon l'invention fonctionne de la manière suivante : Le liquide est introduit sous pression dans l'espace 17. Poussé par la pression, il passe entre la paroi interne de l'enceinte 2 et la virole poreuse 13. Le diffuseur 1 est alimenté en gaz sous pression (cette pression est supérieure à la pression du liquide) et tourne à grande vitesse à l'intérieur de l'enceinte 2. La vitesse de rotation du diffuseur 1 et la taille des pores de la virole poreuse 13 sont choisies de façon à ce que les bulles de gaz diffusées par le diffuseur 1 soient arrachées de la surface de la virole poreuse 13 lorsque leur taille est suffisamment petite. D'une manière générale, pour une taille des pores donnée, plus le diffuseur tourne vites, et plus le diamètre des bulles arrachées sera faible. La distance entre le corps 1 et la virole poreuse 13 du diffuseur 1 est calculée par rapport au débit du liquide de façon à ce que la vitesse de passage du liquide entre les deux soit suffisamment élevée pour que les bulles formées soient évacuée suffisamment rapidement pour éviter la saturation dans les couches du liquide proches de la surface poreuse 13, la coalescence des bulles et, par conséquent, la formation de grosses bulles de gaz. Le liquide, comportant les microbulles diffusées par le diffuseur 1, est collecté dans l'espace 18, situé au-dessus du diffuseur 1 et est ensuite évacué par la sortie 15. Dans cette version du dispositif selon l'invention le liquide s'écoule parallèlement à l'axe de rotation du diffuseur 1. Cette version du dispositif selon l'invention peut être réalisée de plusieurs façons : Ainsi, l'entrée 14 et la sortie 15 du corps peuvent être inversées - entrée en haut et sortie en bas. L'essentielle reste le sens d'écoulement du liquide - parallèlement à l'axe 7. La virole poreuse 13 du diffuseur 1 peut être constituée d'un seul élément ou bien de plusieurs éléments de construction et de fonction différentes. L'angle (x peut être inférieur à 90 ' de façon à ce qu'il y ait un angle d'attaque entre à la virole poreuse 13 et se sens d'écoulement du liquide, ceci dans le but d'augmenter le frottement exercé par le liquide sur la virole 13. Le disque 12 peut être muni d'une ou plusieurs palles 19 telle la turbine d'une pompe centrifuge. Les palles permettraient de créer la circulation du liquide par le diffuseur même et d'éviter ainsi la nécessité d'avoir une source de pression extérieure. Variante B (fig.3,4) Cette variante du dispositif selon l'invention est construite globalement de la même façon que la Variante A. La différence réside dans le sens d 1 écoulement du liquide par rapport au diffuseur 1. Dans ce cas le liquide circule perpendiculairement à l'axe 7 de rotation du diffuseur 1. Ainsi l'entrée 20 et la sortie 21 ne sont pas situées au-dessus et respectivement au-dessous du diffuseur, mais sensiblement à la même hauteur. La distance entre les disques supérieur et inférieur (11 et 12) du diffuseur et les parois de l'enceinte 2 est faible, ce qui oblige le liquide à circuler dans l'espace 23 et de suivre la surface de la virole poreuse 13 sur presque toute sa circonférence. Le temps de contact entre le liquide et la virole poreuse du diffuseur est dans ce cas plus long par rapport à la Variante A. Le sens de rotation du diffuseur peut être le même que le sens d écoulement du liquide. Par conséquent le frottement entre le liquide et le diffuseur va accélérer le liquide. Le diffuseur peut tourner également à contresens par rapport au sens d'écoulement du liquide. Dans ce cas le frottement freinera la circulation du liquide. Outre les Variantes de réalisation A et B, décrites ci-dessus, du dispositif selon l'invention, il est possible de réaliser d'autre modes d'entrée et de sortie du liquide dans le corps du dispositif afin d'obtenir un parcours différent du liquide. Il est par exemple possible de réaliser une combinaison entre les Variantes A et B, c'est à dire d'introduire le liquide au-dessus (ou au-dessous) du diffuseur comme dans la Variante A et de le faire circuler et ressortir du corps comme dans la Variante B et vice versa. Il est également possible de faire plusieurs points d'entrée et/ou plusieurs points de sortie du liquide de l'enceinte 2 du dispositif. A titre indicatif et non limitatif, les caractéristiques du dispositif selon l'invention peuvent avoir des valeurs de l'ordre de grandeur suivant : - le diamètre du diffuseur 1 peut être de quelque centaines de millimètres (300 - 400), - la taille des pores de la virole poreuse peut être de quelques microns, - la vitesse de rotation du diffuseur 1 - de 3000 trs/min, - la vitesse de passage du liquide entre la paroi interne de l'enceinte 2 et la virole poreuse 13 du diffuseur - de quelques mètres par seconde. On conçoit dès lors tout l'intérêt du dispositif conforme à l'invention, dans le cadre de la clarification par flottation à air dissous. En effet, l'énergie consommée pour la rotation du diffuseur dépendra essentiellement du frottement entre le liquide et le diffuseur et sera plusieurs fois inférieure à 1 -) énergie nécessaire pour faire monter la pression du liquide à 5-6 bar. TREVENDICATIONS I/ Dispositif de diffusion de microbulles de gaz dans un liquide, comportant un diffuseur de gaz (1) fermé, alimenté en gaz sous pression, et tournant à grande vitesse au sein d'une enceinte (2) contenant ledit liquide, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une entrée (14, 20) du liquide, et une sortie (15, 21) dudit liquide, respectivement dans et hors de l'enceinte (2), et en ce que ledit liquide est introduit sous pression au sein de l'enceinte, de telle sorte à lui imposer une circulation au niveau de la zone de diffusion du gaz au voisinage du diffuseur. 2/ Dispositif de diffusion de microbulles de gaz dans un liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression de diffusion du gaz est supérieure à la pression d'introduction du liquide dans l'enceinte (2). Y Dispositif de diffusion de microbulles de gaz dans un liquide selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la circulation du liquide au sein de l'enceinte (2) est assuré par une source de pression extérieure. 4/ Dispositif de diffusion de microbulles de gaz dans un liquide selon l'une des revendications 1 à 3. caractérisé en ce que la zone de circulation ou d écoulement du liquide au niveau de la zone de diffusion du gaz est de largeur réduite, et est définie par la face latérale poreuse (13) de diffusion du gaz au sein du diffuseur et par la paroi latérale interne de l'enceinte (2). 51 Dispositif de diffusion de microbulles de gaz dans un liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la circulation du liquide à l'intérieur de l'enceinte (2) est assurée au moyen d'une ou plusieurs pales (19), solidarisées au diffuseur (1), de façon à propulser le liquide de par la rotation de ce dernier à l'instar d'une turbine centrifuge. 6/ Dispositif de diffusion de microbulles de gaz dans un liquide selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le liquide circule au sein de l'enceinte (2) parallèlement à l'axe de rotation (7) du diffuseur (1). V Dispositif de diffusion de microbulles de gaz dans un liquide selon l'une des. revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le liquide circule au sein de l'enceinte (2) perpendiculairement par rapport à l'axe de rotation (7) du diffuseur (1), dans le même sens ou à contresens du sens de rotation de ce dernier. 8/ Dispositif de diffusion de microbulles de gaz dans un liquide selon la revendication 7, caractérisé en ce que la hauteur de l'enceinte (2) est légèrement supérieure à la hauteur de la face latérale poreuse (13) de diffusion de gaz du diffuseur (1).