Brevet FR2834083A1 — publié le 20030627

L'invention concerne un procédé d'injection régulée de dioxyde de carbone dans un liquide. Il est connu d'injecter du dioxyde de carbone liquide dans des enceintes ou des canalisations pour y contrôler des réactions, notamment via le contrôle du pH. De telles injections sont décrites dans les documents EP-A1-1140 339 ou WO 91/02964. La présente invention concerne tout particulièrement le cas des réacteurs dont le pH est contrôlé par injection de dioxyde de carbone liquide et pour lesquels ce pH peut temporairement passer à des valeurs extrêmes, notamment très élevées. C'est le cas par exemple des réacteurs chimiques dans lesquels on met en oeuvre des réactions contrôlées par pH. L'utilisation principale et habituelle du réacteur consiste généralement en une étape de fabrication d'un composé. Lors de l'utilisation habituelle du réacteur, le pH varie dans des proportions relativement faibles et une injection classique de dioxyde de carbone peut être mise en oeuvre. Mais, après la phase de fabrication, ce réacteur doit être nettoyé. Cette opération de nettoyage se fait généralement à un pH très alcalin, proche de 14, par exemple à l'aide d'une solution de soude concentrée (NaOH + CO2 = NaHC03). Les solutions de soude concentrées sont notamment utilisées pour le nettoyage des installations en agro-alimentaire et des contenants destinés à l'alimentation humaine. L'injection de dioxyde de carbone par les dispositifs de l'art antérieur n'est pas bien adaptée au traitement de cette forte variation de pH car la vanne d'injection n'est pas configurée pour répondre à la fois à une demande forte et une demande faible en dioxyde de carbone. En effet, soit la vanne est configurée pour les débits relativement faibles correspondant au contrôle classique de la réaction chimique-et alors elle ne suffit pas pour l'injection de grandes quantités de dioxyde de carbone pour traiter le liquide dont le pH est devenu temporairement très élevé-soit la vanne est configurée pour les débits élevés correspondant-et alors elle n'est pas adaptée au traitement de petites quantités de dioxyde de carbone-dans ce dernier cas, du dioxyde de carbone est alors gaspillé. Ce type de problème se rencontre également lorsque le dioxyde de carbone est injecté en fonction de la mesure du débit d'un fluide à traiter et circulant dans une canalisation. Le but de la présente invention est de proposer une solution au problème d'injection de dioxyde de carbone dans des réacteurs ou des canalisations dont le pH ou le débit peut subir temporairement de grandes variations. Dans ce but, l'invention propose un procédé d'injection régulée de dioxyde de carbone dans un liquide à traiter présent à l'intérieur d'une enceinte dans lequel l'injection de dioxyde de carbone est asservie à la mesure d'une caractéristique du liquide à traiter présent dans l'enceinte, et dans lequel : - le dioxyde de carbone est injecté au moyen de deux vannes d'injection à débit proportionnel, ces deux vannes présentant des débits d'injection maximaux différents, - la vanne d'injection (Vi) présentant le débit d'injection maximal le moins élevé (DM1) est ouverte proportionnellement à la valeur de la mesure caractéristique du liquide à traiter, - la vanne d'injection (V2) présentant le débit d'injection maximal le plus élevé (DM2) est ouverte lorsqu'à la fois : . la vanne d'injection présentant le débit d'injection maximal le moins élevé (DM1) fonctionne à son débit maximal (DM1), et . la valeur de la mesure caractéristique du liquide à traiter dépasse une valeur de consigne donnée. Selon l'invention, l'injection de dioxyde de carbone se fait directement dans le liquide à traiter, au travers d'une paroi de l'enceinte, qui renferme le liquide à traiter. L'injection du dioxyde de carbone fait intervenir un dispositif d'injection constitué d'une vanne d'injection à débit proportionnel. La vanne d'injection comprend une vanne, par exemple une vanne à pointeau, associée à un injecteur. L'injecteur est piqué sur la paroi de l'enceinte dans lequel se situe le liquide à traiter. Le liquide à traiter est généralement en circulation. Par enceinte, on entend tout type de contenant dans lequel le liquide à traiter est en circulation permanente ou non. L'enceinte peut être par exemple un réacteur (de toute forme), un bassin tel qu'un bassin présent dans la boucle de recirculation d'un liquide issu d'un réacteur, une bâche, une conduite ou canalisation. Selon l'invention, l'injection du dioxyde de carbone se fait par double injection, c'est- à-dire qu'il est injecté à l'aide de deux vannes d'injection différentes. Selon l'invention, les vannes fonctionnent en mode proportionnel et en mode cascade. Le mode cascade signifie que, soit la vanne (Vi) présentant le plus faible débit maximal d'injection (DM1) fonctionne seule, soit les deux vannes (Vi, V2) fonctionnent en même temps lorsque deux consignes sont vérifiées : - la vanne (Vi) présentant le plus faible débit maximal d'injection (DM1) est totalement ouverte, donc fonctionne à débit maximal (DM1), et - une valeur de consigne donnée d'une mesure caractéristique du liquide à traiter a été atteinte. Les débits varient en fonction de la valeur de la mesure caractéristique du liquide à traiter. Le choix de la mise en oeuvre de la première et de la deuxième vanne se fait donc en fonction de la mesure d'une caractéristique du liquide à traiter et pour laquelle le dioxyde de carbone liquide est injecté. Ainsi, si le dioxyde de carbone est injecté pour réguler le pH du liquide présent dans l'enceinte, alors la valeur du pH est mesurée et la vanne d'injection (Vi) présentant débit d'injection maximaJ (DM1) le plus faible est mise en oeuvre proportionnellement à la valeur de la mesure du pH et ceci tant que cette valeur reste inférieure à une valeur de consigne donnée. La vanne d'injection (V2) présentant le débit d'injection maximal le plus élevé (DM2) est mise en oeuvre lorsque la première vanne d'injection (Vi) fonctionne à son débit maximal (DM1) et lorsque la valeur de consigne du pH est dépassée. Ce même type de fonctionnement peut être utilisé lorsque la caractéristique du liquide à traiter qui asservit l'injection du dioxyde de carbone est le débit du liquide à traiter. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les deux vannes utilisées présentent des débits maximaux différents. Ces débits peuvent varier entre 1,5 kg/h et 4 t/h. Selon une première mise en oeuvre de l'invention, on injecte : - à travers la vanne (Vi) présentant le plus faible débit maximal d'injection (DM1), le dioxyde de carbone sous forme gazeuse, et - à travers la vanne (V2) présentant le débit maximal d'injection (DM2) le plus élevé, le dioxyde de carbone sous forme liquide. Selon une deuxième mise en oeuvre préférée de l'invention, on injecte le dioxyde de carbone sous forme liquide dans les deux vannes. Dans ce dernier cas, il est préférable, à chaque arrêt de l'injection de dioxyde de carbone liquide dans une des vannes d'injection, de délivrer un gaz entre la vanne délivrant le dioxyde de carbone liquide et le point d'injection sur la paroi de l'enceinte dans le liquide en lieu et place du dioxyde de carbone liquide. Cette injection de gaz permet d'éviter toute remontée du liquide à traiter à l'intérieur de la vanne d'injection et la formation de glace dans le corps de l'injecteur. Il suffit habituellement que le gaz soit délivré à une pression suffisante pour éviter toute remontée du liquide à l'intérieur de la vanne d'injection. Ainsi, dès que la vanne est fermée, le dioxyde de carbone liquide n'est plus injecté et un gaz intervient. Le gaz est injecté dans la conduite reliant la vanne d'injection à la tête d'injection piquée dans la parois de l'enceinte contenant le liquide, habituellement au niveau de l'injecteur, à la place du dioxyde de carbone liquide, pour être délivré dans le liquide sous pression ou à pression atmosphérique. Ce gaz peut être un gaz"inerte"vis-à-vis du liquide sous pression à traiter,"compatible"avec ledit liquide, non susceptible d'altérer celui-ci ou de générer des réactions chimiques en son sein. Il peut notamment s'agir d'un gaz inerte tel que l'azote. Il peut également s'agir de dioxyde de carbone gazeux. Selon une mise en oeuvre avantageuse de l'invention, ce dioxyde de carbone gazeux peut provenir de la vaporisation d'une partie de dioxyde de carbone liquide, prélevée sur le circuit d'alimentation en dioxyde de carbone liquide des vannes d'injection. Généralement, le dioxyde de carbone liquide est injecté à une pression en amont de la vanne comprise entre 14. 105 et 20. 105 Pa (soit entre 14 et 20 bars) et à une température comprise entre- 30 Cet-20 C. Le procédé selon l'invention convient particulièrement pour l'injection régulée de dioxyde de carbone liquide dans un liquide en circulation dans une canalisation. Le liquide à traiter peut être sous pression ou à pression atmosphérique. La pression de ce liquide en circulation peut être comprise entre 0 et 15 bars, de préférence entre 0 et 8 bars, encore plus préférentiellement entre 0 et 5 bars. Les liquides traités peuvent être de toute nature : milieux réactionnels, effluents industriels, eau potable, eaux de lavage, liquides agroalimentaire. Ces liquides peuvent être traités au dioxyde de carbone à différentes fins telles que détartrage et/ou prévention de l'entartrage des dispositifs à l'intérieur desquels ils circulent, contrôle du pH réactionnel, remise à l'équilibre d'une eau, synthèse chimique. L'invention concerne également un dispositif d'injection de dioxyde de carbone dans un liquide circulant à l'intérieur d'une enceinte, comprenant : - une première vanne d'injection à débit proportionnel et l'injecteur correspondant piqué dans la paroi de l'enceinte, - une deuxième vanne d'injection à débit proportionnel présentant un débit d'injection supérieur à celui de la première vanne et un injecteur correspondant piqué dans la paroi de l'enceinte, chacune desdites vannes étant reliée par un circuit d'alimentation à une source de dioxyde de carbone, - des moyens de mesure d'une caractéristique du liquide à traiter, - des moyens d'asservissement automatique des vannes activant l'ouverture de la première vanne et l'ouverture de la deuxième vanne en fonction de la valeur de la mesure de la caractéristique mesurée et d'une valeur de consigne. De préférence, l'injecteur est directement positionné en sortie de la vanne d'injection. Selon une mise en oeuvre particulière, la vanne peut incorporer l'injecteur. La caractéristique mesurée peut être le pH ou le débit, Selon une variante, le dispositif de l'invention comprend un moyen de contrôle de la température du liquide comprenant : - des moyens de mesure de la température du liquide, - des moyens d'arrêt de l'injection de dioxyde de carbone. Cette mise en oeuvre répond à des raisons de sécurité : l'injection de dioxyde de carbone, notamment du dioxyde de carbone liquide, est mise en oeuvre avec un contrôle de la température du liquide sous pression dans lequel le dioxyde de carbone liquide est injecté. Il convient en effet en mesure d'éviter à tout moment les conséquences d'une durée anormale d'injection de dioxyde de carbone liquide (notamment inhérente à des pannes d'appareillage : panne de la vanne d'injection par exemple) et la baisse dangereuse de la température du liquide qui peut conduire à la prise en glace hydrique de l'enceinte renfermant le liquide. Les moyens d'arrêt de l'injection de dioxyde de carbone liquide sont généralement asservis aux moyens de mesure de la température du liquide à traiter : les moyens d'arrêt sont actionnés lorsque la température est inférieure à une température de consigne. Le dispositif comprend alors des moyens d'asservissement automatique des moyens d'arrêt d'injection du dioxyde de carbone liquide : ils activent automatiquement les moyens d'arrêt dès que la température mesurée est inférieure à la valeur de consigne. Selon une autre variante, le dispositif de l'invention comprend un moyen de contrôle de la pression du liquide dans l'enceinte comprenant : - des moyens de mesure de la pression du liquide, - des moyens d'arrêt de l'injection de dioxyde de carbone. Les moyens d'arrêt de l'injection de dioxyde de carbone, notamment du dioxyde de carbone liquide, sont généralement asservis aux moyens de mesure de la pression du liquide à traiter : les moyens d'arrêt sont actionnés lorsque la pression mesurée est supérieure à une pression de consigne. Le dispositif comprend alors des moyens d'asservissement automatique des moyens d'arrêt d'injection du dioxyde de carbone liquide : ils activent automatiquement les moyens d'arrêt dès que la pression mesurée est supérieure à la valeur de consigne. Pour les deux variantes précédentes, les moyens d'arrêt de l'injection de dioxyde de carbone consistent généralement en une vanne de sécurité montée sur le circuit d'alimentation en dioxyde de carbone liquide en amont des vannes d'injection. Pour des mesures de sécurité, il est aussi préférable que chaque vanne d'injection de dioxyde de carbone soit asservie au fonctionnement de la pompe de transfert (ou de circulation) du liquide sous pression à traiter. Ainsi, l'injection de dioxyde de carbone est automatiquement arrêtée lorsque la pompe de circulation du liquide ne fonctionne plus. Si les vannes utilisées sont des vannes pneumatiques fonctionnant à l'aide d'air comprimé, il est également préférable de prévoir un arrêt automatique de ces vannes si l'air ne parvient plus aux vannes. Le dispositif peut également comprendre des moyens d'évacuation du gaz délivré dans le liquide, voire des moyens de recyclage de ce gaz évacué récupéré. Dans le cas d'une injection de dioxyde de carbone liquide dans une canalisation, les moyens d'évacuation sont situés en aval de la tête d'injection. Si le dioxyde de carbone injecté est liquide et qu'à chaque arrêt de l'injection, un gaz est délivré en lieu et place du dioxyde de carbone liquide, il est préférable que le gaz injecté soit du dioxyde de carbone gazeux résultant de la vaporisation d'une partie du dioxyde de carbone liquide prélevée sur le circuit d'alimentation en dioxyde de carbone liquide. Le dispositif selon l'invention comprend alors en amont de la vanne d'injection, des moyens de prélèvement et de vaporisation d'une partie du dioxyde de carbone liquide, lesdits moyens étant agencés sur le circuit d'alimentation en dioxyde de carbone liquide. Le dispositif peut donc fonctionner en étant relié à une seule source d'alimentation en dioxyde de carbone. On peut également utiliser de l'air comprimé ou un gaz inerte présent sur le lieu de l'application. EXEMPLE Le dioxyde de carbone est utilisé pour réguler le pH des eaux de lavage de bouteilles en verres. Ces eaux de lavage contiennent de la lessive de soude et sont donc fortement alcalines. Lors du lavage habituel des bouteilles, l'effluent sortant du lavage présente un pH de l'ordre de 12. Par conséquent, 440 g de CO2 liquide par m3 d'effluent doivent être injectés dans cet effluent. Avec un débit horaire moyen des eaux de lavage de 40 m3/h, la quantité horaire de dioxyde de carbone liquide à injecter pour traiter les eaux est de 17,6 kg/h. La vanne faible débit V1 est donc calibrer pour un débit d'environ 20 kg/h. Lors de la vidange de l'appareil de lavage, le pH des eaux monte à 13,5 ; il faut donc injecter 13,9 kg de CO2 liquide par m3 d'effluent. Lors des phases de vidange de laveuses, si le débit des eaux de lavage était maintenu à 40 m3/h, le débit horaire de dioxyde de carbone liquide à injecter par la vanne faible débit V1 serait de 556 kg/h. On utilise donc une vanne fort débit calibrée pour délivrer un débit d'environ 600 kg de dioxyde de carbone liquide par heure. REVENDICATIONS 1. Procédé d'injection de dioxyde de carbone dans un liquide à traiter présent à l'intérieur d'une enceinte dans lequel l'injection de dioxyde de carbone est asservie à la mesure d'une caractéristique du liquide à traiter, caractérisé en ce que : - le dioxyde de carbone est injecté au moyen de deux vannes d'injection (Vi, V2) à débit proportionnel, ces deux vannes présentant des débits d'injection maximaux différents, - la vanne d'injection (Vi) présentant le débit d'injection maximal le moins élevé (DM1) est ouverte proportionnellement à la valeur d'une mesure caractéristique du liquide à traiter, - la vanne d'injection (V2) présentant le débit d'injection maximal le plus élevé (DM2) est ouverte lorsqu'à la fois : . la vanne d'injection (Vi) présentant le débit d'injection le moins élevé (DM1) fonctionne à son débit maximal (DM1), et . la valeur de la mesure caractéristique du liquide à traiter dépasse une valeur de consigne donnée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique du liquide à traiter pour laquelle le dioxyde de carbone est injecté dans l'enceinte est le pH ou le débit. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on injecte : - à travers la vanne (Vi) présentant le plus faible débit maximal d'injection (DM1), le dioxyde de carbone sous forme gazeuse, et - à travers la vanne (V2) présentant le débit maximal d'injection le plus élevé (DM2), le dioxyde de carbone sous forme liquide. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on injecte le dioxyde de carbone sous forme liquide dans les deux vannes (Vi, V2). 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'à chaque arrêt de l'injection de dioxyde de carbone liquide dans une des vannes d'injection, un gaz est délivré entre la vanne délivrant le dioxyde de carbone liquide et le point d'injection sur la paroi de l'enceinte dans le liquide à traiter en lieu et place du dioxyde de carbone liquide. 6. Dispositif d'injection de dioxyde de carbone dans un liquide à traiter présent à l'intérieur d'une enceinte, caractérisé en ce qu'il comprend : - une première vanne d'injection à débit proportionnel (Vi) et un injecteur correspondant piqué dans la paroi de l'enceinte, - une deuxième vanne d'injection à débit proportionnel (V2) présentant un débit d'injection maximal (DM2) supérieur à celui (DM1) de la première vanne d'injection (Vi) et un injecteur correspondant piqué dans la paroi de l'enceinte, chacune desdites vannes d'injection (V1, V2) étant reliée par un circuit d'alimentation à une source de dioxyde de carbone, - des moyens de mesure d'une caractéristique du liquide à traiter, - des moyens d'asservissement automatique des vannes d'injection (Vi, V2) activant l'ouverture de la première vanne (Vi) et l'ouverture de la deuxième vanne (V2) en fonction de la valeur de la mesure de la caractéristique mesurée et d'une valeur de consigne. 7. Dispositif d'injection selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de contrôle de la température du liquide à traiter comprenant : - des moyens de mesure de la température du liquide à traiter, - des moyens d'arrêt de l'injection de dioxyde de carbone. 8. Dispositif d'injection selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de contrôle de la pression du liquide à traiter dans l'enceinte comprenant : - des moyens de mesure de la pression du liquide à traiter, - des moyens d'arrêt de l'injection de dioxyde de carbone.