Brevet FR2838067A1 — publié le 20031010

PROCEDE DE MISE EN CONTACT DE PHASES NOTAMMENT GAZ/LIQUIDE, REACTEUR DIT A IMPACTS MULTIDIRECTIONNELS ASSOCIE, ET APPLICATION AU TRAITEMENT OXYDANT DE L'EAU L'invention concerne un procédé de mise en contact et de mélange de fluides, notamment d'une phase liquide contenant ou non des matières en suspension avec une autre phase liquide ou gazeuse, et un nouveau type de réacteur associé. Ce type de technologie s'applique à titre d'exemple au traitement des eaux chargées en matière organique qu'il s'agit d'éliminer par oxydation. On connaît classiquement des procédés et dispositifs de ce domaine, tels qu'en particulier ceux décrits dans le livre de J. Villermaux "Génie de la réaction chimique : Conception et fonctionnement des réacteurs", Techniques & Documentation (Lavoisier Editeur, Paris), 1985, P. 359. On y trouve en particulier la description des éléments suivants : colonne à pulvérisation, colonne à film tombant, colonne à bulles, réacteur gazosiphon, colonne à éjecteur, colonne agitée mécaniquement, colonne à garnissage à contre courant, colonne à garnissage à cocourant, colonne à plateaux perforés, cuve agitée mécaniquement et éjecteur Venturi. Vogelpohl et ses collaborateurs ont décrit en 1989 (Brevet DE numéro 3818991 du 23/11/1989) un procédé utilisant un nouveau type de réacteur permettant de mélanger deux fluides avec l'aide d'injecteurs d'où sort l'un des fluides sous pression, l'autre fluide étant introduit dans le premier avant la sortie de l'injecteur. Deux injecteurs au moins sont utilisés qui envoient les deux courants créés par ces deux fluides en mouvement l'un vers l'autre dans une zone d'impact qui améliore sensiblement l'homogénéité du mélange. Une des deux phases est préférentiellement un gaz, l'autre un liquide et le nombre d'injecteurs utilisés est généralement de deux. Ce type de réacteur a fait l'objet de différents travaux en phase préindustrielle notamment ceux de Lee et ses collaborateurs en 1999 (Ozone Sci. & Eng. 21 ; 501-522(1999)), qui ont étudié le transfert de matière et conclu que le transfert sans réaction chimique dans ce type de réacteur, de par un mauvais dimensionnement, s'en trouve limité. De façon connue, ces procédés présentent tous l'inconvénient de limiter la rétention gazeuse lors du contact gaz/liquide dans la phase liquide, ce qui limite de fait la réactivité relative entre les constituants des deux phases. L'invention vise un procédé de mise en #uvre simple, permettant de résoudre les problèmes précités. L'invention propose à cet effet un procédé de mise en contact et de mélange d'au moins deux fluides contenant ou non des matières en suspension ; le procédé conforme à la présente invention se caractérise en ce qu'on amène simultanément les fluides vers une zone d'impact, on forme plusieurs jets primaires dirigés vers le centre de ladite zone d'impact, on dévie les jets primaires dans la zone d'impact au moyen d'une structure solide centrale et d'une paroi périphérique de façon à générer de multiples impacts secondaires et une interpénétration des fluides, et on extrait le mélange fluide de ladite zone d'impact. A ce nouveau procédé est associé un nouveau réacteur de mise en contact et de mélange d'au moins deux fluides, comprenant des arrivées de fluides, des injecteurs de fluides, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre d'impact délimitée par une structure solide centrale et une paroi périphérique, les injecteurs étant agencés pour amener simultanément les fluides dans ladite chambre d'impact et former à l'entrée de celle-ci des jets primaires dirigés vers la structure solide centrale de façon à générer de multiples impacts secondaires entre cette structure solide et cette paroi périphérique. Les caractéristiques d'un tel réacteur, de faible coût de fabrication, permettent une mise en #uvre avantageuse du procédé de l'invention à un coût réduit. Dans une variante préférée de l'invention, le procédé est caractérisé en ce qu'on prélève une partie du mélange fluide après impacts dans la zone d'impact et on la réinjecte avec les fluides qui sont amenés vers la zone d'impact pour former les jets primaires. La description et les dessins d'un mode préféré de réalisation de l'invention, donnés ci-après, permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l'invention. Il est clair que cette description est donnée à titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif. Dans ce qui suit VG et VL exprimeront respectivement le débit gazeux et liquide injecté dans le système, Vg exprimera le volume gazeux dans le système, V1 exprimera le volume du liquide à traiter et le rapport Vg/(Vi + Vg) exprimera en pourcentage la rétention gazeuse #G. Sur les dessins : - la figure 1 illustre la mise en #uvre du procédé utilisant un réacteur à impacts multidirectionnels à zone d'impact cylindrique, - la figure 2 illustre le principe de fonctionnement du réacteur à impacts multidirectionnels, - la figure 3 représente les courbes d'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée pour différents débits gazeux, - la figure 4 illustre l'influence du rapport entre le diamètre du tube d'aération 2 et le diamètre du tube 7, noté D2/D7, sur l'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée, - la figure 5 représente des courbes d'influence de la taille du diamètre du cylindre 3 pour un même diamètre du tube 7, sur l'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée, - la figure 6 représente la courbe d'influence du positionnement en hauteur du cylindre 3 dans le tube 7 sur l'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée, - les figures 7,8 et 9 représentent des courbes d'ozonation de l'acide tannique en fonction du temps de réaction pour un débit respectif de la phase liquide de 2m3/h, 4m3/h et 6m3/h. Comme l'illustre la figure 1, le procédé selon l'invention met en #uvre un nouveau type de réacteur dit à impacts multidirectionnels permettant une mise en contact et un mélange de deux fluides dans lequel une des deux phases est envoyée sous pression dans un tube d'alimentation, la deuxième phase étant mélangée dans un premier temps à la première au moyen d'au moins trois injecteurs qui peuvent être par exemple de type annulaire ou Venturi. Le mélange de phases est ensuite envoyé dans une zone d'impact qui est occupée en son centre par une structure solide capable de recevoir le premier impact des deux phases, de dévier le flux pour générer ensuite des impacts secondaires capables d'amener la dispersion des phases à un niveau très supérieur à ce qui est permis par les réacteurs actuels. La zone d'impact est schématisée dans son principe à la figure 2. Le mode d'utilisation, avec l'un des fluides liquide et l'autre gazeux est illustré à la figure 1. Selon un mode préféré de mise en #uvre de l'invention, le réacteur dit à impacts multidirectionnels est constitué par quatre injecteurs annulaires 1 amenant le mélange gaz/liquide aux pieds des quatre tubes d'alimentation 2 qui conduisent le mélange gaz/liquide vers les éjecteurs qui le propulsent sur un cylindre central 3 bouché à l'une de ses extrémités pour éviter la formation de cyclones parasites lors de l'impact primaire dans la zone centrale 4. Les flux déviés génèrent ensuite des impacts secondaires. La phase liquide est ensuite évacuée en tête de réacteur constitué par une zone de dégazage susceptible d'évacuer et de recycler éventuellement les gaz non dissous 5 ainsi que le fluide liquide 6. La position des injecteurs 1 dans le mode de réalisation précédemment décrit permet un fonctionnement du réacteur hors de la zone de multi-impacts en système gazosiphon via un tube 7 (constituant la paroi périphérique de la zone d'impact) et les deux tubes d'alimentation 2 qui favorise la recirculation vers le bas du réacteur 8 des microbulles obtenues par les multi-impacts dans la phase liquide, ce qui augmente d'autant la rétention gazeuse #G, donc la réactivité des composants présents en phase gazeuse vis-à-vis des produits présents en phase liquide. L'invention permet ainsi une augmentation significative de la rétention gazeuse #G lors du contact gaz/liquide dans la phase liquide par rapport aux procédés actuels les plus performants, de façon à augmenter la réactivité relative entre les constituants des deux phases. L'invention s'applique en particulier au domaine du traitement des eaux chargées en matière organique qu'il s'agit de détruire par oxydation. Cette oxydation des matières organiques dissoutes dans l'eau conduit à une réduction de la coloration et une diminution de la Demande Biologique en Oxygène (DBO) et de la Demande Chimique en Oxygène (DCO). De nombreuses variantes peuvent être considérées en fonction des conditions d'utilisation, tant en ce qui concerne la forme de la structure solide au centre de la zone d'impacts du réacteur, que la nature et la composition des deux phases fluides mises en #uvre. Ainsi, la structure solide située au centre de la zone d'impacts comporte préférentiellement une forme assurant la multiplication des impacts des fluides comme une sphère, un cylindre, un prisme... Dans une variante préférée de l'invention, la structure solide située au centre de la zone d'impact est un cylindre fermé à son extrémité supérieure 3, et le rapport du diamètre du cylindre 3 sur celui du diamètre du tube 7 constituant la paroi périphérique de la zone d'impacts est compris entre 0,35 et 0,50. Ainsi également l'un des deux fluides peut être une phase liquide, et l'autre une phase gazeuse constituée soit par de l'air, soit par de l'oxygène, ou par l'un de ces deux gaz enrichi en un élément oxydant tel l'ozone, avec une teneur en ozone de la phase gazeuse qui peut varier de 0 à 38 g/m3 dans le réacteur utilisé décrit ci-après dans les exemples. Dans une mise en #uvre particulière du procédé objet de l'invention, la première phase est une phase liquide constituée par de l'eau, la deuxième phase est une phase gazeuse constituée par de l'air. Les débits appliqués sont pour la phase aqueuse de 6 m3/h et pour l'air de 4 m3/h. Pour une puissance dissipée de 2 kW/m3, on obtient une rétention gazeuse dans la phase liquide dont la valeur est de l'ordre de 50%. Cette valeur est supérieure à celle relevée avec le meilleur contacteur gaz/liquide connu actuellement du type par exemple de celui décrit par Vogelpohl et Lee fonctionnant à deux impacts dans lequel la rétention gazeuse est au maximum de 35%. Dans un autre mode de mise en #uvre préféré de ce réacteur à impacts multidirectionnels, la première phase est une phase liquide constituée par une solution aqueuse d'acide tannique (Réf. Merck 1.00773.1000) choisi comme composé de référence par sa très forte résistance à tous les traitements conventionnels chimiques ou biologiques de dépollution des eaux, la deuxième phase est une phase gazeuse, constituée par de l'air enrichi avec de l'ozone. La concentration initiale d'acide tannique dans la phase liquide est de 35 g/m3. La concentration initiale de l'ozone dans la phase gazeuse est de 19,4 mg/1. A faible puissance dissipée (0.14 kW/m3) correspondant à un débit liquide injecté VL de 2 m3/h, le temps mis pour détruire 23 g/m3 d'acide tannique est d'environ 12 mn (figure 7). A forte puissance dissipée (3.75 kW/m3) correspondant à un débit liquide injecté de 6 m3/h, le temps mis pour détruire la même quantité d'acide tannique est aux alentours de 8 mn (figure 9), ce qui est tout à fait remarquable et très supérieur à ce que permettent les contacteurs gaz/liquide actuels. Le procédé selon l'invention est plus particulièrement illustré par les exemples qui suivent : EXEMPLE 1 : Le réacteur utilisé pour illustrer l'efficacité du procédé de mise en contact de phases dit à impacts multidirectionnels primaires et secondaires a les caractéristiques dimensionnelles suivantes. Les quatre injecteurs 1 ont un diamètre extérieur de 50 mm et une hauteur de 250 mm. Le diamètre du tube 7 est de 124 mm. Le cylindre 3 fermé à l'extrémité supérieure a une hauteur de 34 mm pour un diamètre de 50 mm. Il est positionné de façon à ce que la hauteur entre le sommet fermé du cylindre et le bas du réacteur 8 soit de 880 mm. Le système fonctionne avec une pompe d'alimentation d'un débit maximal de 6 m3/h sous une pression de 3 bars. La pression est contrôlée par des manomètres. La mesure des débits gazeux VG et liquides VL est effectuée par des débitmètres à flotteurs. Elle permet d'étudier la rétention gazeuse EG dans la phase liquide en fonction de la puissance injectée (figures 3 à 6). La détermination de la rétention gazeuse est effectuée par la technique dite de différence des hauteurs qui consiste à couper simultanément l'alimentation des deux phases injectées. La différence des volumes de l'émulsion (mélange gazliquide) et celui de liquide (sans aération) des deux phases donne le volume de gaz retenu dans le réacteur. Le pourcentage de ce volume par rapport au volume de réacteur donne la rétention gazeuse. Ce paramètre est étudié en fonction du débit du liquide (c'est-à-dire de la puissance injectée) pour différents débits gazeux. Le débit gazeux est fixé. Le débit de liquide varie et à chaque fois la rétention gazeuse est calculée. La puissance injectée est calculée d'après la formule : P = Q*AP avec #P# #v2/2 où Q est le débit de liquide (en m3/s); #P est la perte de charge à la sortie de l'injecteur (en Pa); p est la masse volumique de liquide (en kg/m3), v est la vitesse du liquide à la sortie de l'injecteur (en m/s) et P est la puissance (en W). Les résultats obtenus pour le système (eau/air) dans le réacteur à impacts multidirectionnels sont exprimés en fonction des débits gazeux et des puissances injectées (figure 3). EXEMPLE 2 : Le même dispositif expérimental que celui décrit à l'exemple 1 est utilisé pour tester l'influence de la taille du réacteur sur l'efficacité de transfert. A un débit gazeux VG = 1,5 m3/h, l'influence du rapport entre le diamètre du tube d'aération 2 et du tube central 7, noté (D2/D7) a été étudiée pour différentes puissances injectées. Les résultés présentés montrent que si ce paramètre diminue, la rétention gazeuse augmente (figure 4). EXEMPLE 3 : Le même dispositif expérimental est utilisé pour tester l'influence du diamètre du cylindre 3 sur l'efficacité de transfert. A un débit gazeux VG = 1,5 m3/h, l'influence du diamètre du cylindre 3 pour un même diamètre D7 du tube 7 a été étudiée pour différentes puissances injectées. Les résultés présentés montrent que la rétention gazeuse augmente avec le diamètre du cylindre 3, noté (D3) (figure 5). EXEMPLE 4 : Le même dispositif expérimental est utilisé pour tester l'influence de la position du cylindre 3 sur l'efficacité de transfert. La hauteur H3 entre le sommet du cylindre et le bas du réacteur varie selon les valeurs visualisées sur la figure 6. A un débit gazeux VG = 1,5 m3/h, son influence sur la rétention gazeuse a été étudiée pour différentes puissances injectées. Les résultats présentés montrent qu'une bonne rétention gazeuse nécessite le positionnement du cylindre 3 en position haute (figure 6). EXEMPLE 5 : Le même dispositif expérimental est utilisé pour tester l'efficacité du transfert de matière du réacteur à impacts multidirectionnels appliqué à l'ozonation de l'acide tannique. A cet effet, une solution aqueuse d'acide tannique de 35 mg/1 (environ) est préparée. Elle est traitée dans le réacteur par l'air ozoné à un débit de 0. 4 m3/h et à une concentration en ozone de 19.4 mg/1. Le réacteur fonctionne en régime discontinu (ouvert pour le gaz, fermé pour le liquide). L'ozone est produit par un générateur d'ozone à alimentation à air. Ce générateur est de type Trailigaz (ozobloc 5 OC1). La concentration de l'acide tannique est déterminée par spectrophotométrie UV. La concentration de l'acide tannique (AT) est suivie au cours du temps pour différentes puissances injectées. La quantité d'acide tannique éliminée en fonction du temps peut être assimilée à une droite (y = a. x), dont la pente "a" est la vitesse moyenne de la destruction de l'acide tannique au cours de l'ozonation. Elle est visualisée sur les figures 7 à 9 pour différents débits liquides. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en contact et de mélange d'au moins deux fluides contenant ou non des matières en suspension, caractérisé en ce qu'on amène simultanément les fluides vers une zone d'impact, on forme plusieurs jets primaires dirigés vers le centre de ladite zone d'impact, on dévie les jets primaires dans la zone d'impact au moyen d'une structure solide centrale et d'une paroi périphérique de façon à générer de multiples impacts secondaires et une interpénétration des fluides, et on extrait le mélange fluide de ladite zone d'impact. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prélève une partie du mélange fluide après impacts dans la zone d'impact et on la réinjecte avec les fluides qui sont amenés vers la zone d'impact pour former les jets primaires. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des deux fluides est une phase gazeuse. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la phase gazeuse est constituée d'oxygène. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la phase gazeuse est constituée d'air. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la phase gazeuse est constituée d'air ou d'oxygène enrichi en ozone. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit procédé est appliqué pour oxyder des matières organiques dissoutes dans l'eau. 8. Réacteur de mise en contact et de mélange d'au moins deux fluides, comprenant des arrivées de fluides, des injecteurs de fluides, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre d'impact délimitée par une structure solide centrale (3) et une paroi périphérique (7), les injecteurs (1) étant agencés pour amener simultanément les fluides dans ladite chambre d'impact et former à l'entrée de celleci des jets primaires dirigés vers la structure solide centrale de façon à générer de multiples impacts secondaires entre cette structure solide et cette paroi périphérique. 9. Réacteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure solide (3) au centre de la zone d'impact comporte une forme adaptée pour assurer la multiplication des impacts des fluides, en particulier une sphère, un cylindre, un prisme. 10. Réacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la structure solide au centre de la zone d'impact est un cylindre fermé à son extrémité supérieure. 11. Réacteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le rapport du diamètre du cylindre (3) à celui du diamètre de la paroi périphérique (7) est compris entre 0,35 et 0,50.