Brevet FR2887470A1 — publié le 20061229

La présente invention concerne un dispositif pour la dissolution d'un gaz dans un liquide et son application notamment pour dissoudre de l'oxygène dans l'eau. Elle s'intéresse par exemple aux applications d'une telle technique aux domaines de la pisciculture ou encore du traitement d'eaux. En considérant l'exemple de la pisciculture, la consommation de poissons d'élevage augmente rapidement, de sorte que la pisciculture est une activité en plein essor. La pisciculture comprend notamment les activités de l'incubation et de l'élevage du fretin ou des poissons dans des bassins spécifiques. Dans l'aquaculture, l'oxygène, la nourriture et l'eau constituent trois facteurs essentiels. En particulier, la disponibilité de l'oxygène dans l'eau a un effet direct sur les performances de la station de pisciculture. En raison des spécificités de la pisciculture et notamment la haute densité en poissons par mètre cube d'eau, il est nécessaire d'apporter de l'oxygène dans l'eau afin de compenser la diminution naturelle. La régulation de l'oxygène est donc l'une des clés de la réussite de toute entreprise aquacole moderne. Alors qu'un litre d'air contient 300 mg d'oxygène, un litre d'eau fraîche contient seulement un trentième de cette quantité. Cette concentration varie en fonction de: - la source de l'eau, selon qu'il s'agit d'eau de mer, d'eau douce, d'eau stagnante, d'eau souterraine, d'eau de rivière, .. . - la température: une augmentation de la température fait baisser la concentration en oxygène dissous à la saturation; - la présence d'organismes (algues ou plantes) produisant ou au 25 contraire consommant de l'oxygène. L'enrichissement de l'eau avec de l'oxygène peut être effectué avec de l'air ou avec de l'oxygène pur. En comparaison avec l'oxygénation utilisant de l'air, les avantages de l'utilisation d'oxygène pur (i.e seul pas sous forme d'air) sont notamment les suivants: - un meilleur transfert d'oxygène dans l'eau (loi de Henry) ; - des frais d'énergie inférieurs pour effectuer le transfert; - une utilisation plus efficace de la nourriture (meilleur taux de conversion de la nourriture) ; - une croissance améliorée et une résistance accrue des espèces aux organismes pathogènes. On sait oxygéner l'eau mécaniquement par pompage, cascade, fontaine, etc.. .. on sait aussi oxygéner l'eau par utilisation d'une soufflante ou d'un compresseur. Le plus souvent, le gaz est diffusé dans l'eau à l'aide de pierres diffusantes (poreux) en recherchant un bullage le plus fin possible. On utilise également des aérateurs munis d'une hélice qui projette l'eau dans l'air. Mais il faut souligner que ces systèmes de poreux présentent un bilan très peu économique, tout simplement car le taux de transfert est faible, en pratique voisin de 20% (d'où des pertes d'oxygène très élevées) . On conçoit alors qu'il serait souhaitable, afin d'aider cette industrie en plein essor et en plein développement, de pouvoir proposer un dispositif efficace, simple, le plus autonome possible, pour dissoudre un gaz dans un liquide, même en grands volumes, et présentant surtout de meilleures performances de taux de transfert par rapport aux systèmes de l'art antérieur. Or après de longues recherches la Demanderesse a réalisé un dispositif donnant toute satisfaction et répondant à ce cahier des charges. Comme on l'expliquera plus en détails dans ce qui suit, le dispositif selon la présente invention met en oeuvre des jets de liquide sous pression qui sont projetés par des buses et traversent un gaz avant de s'enfoncer puissamment dans le liquide à traiter, formant ainsi une multitude de bulles de gaz formant une émulsion gaz dans l'eau permettant la dissolution de ce gaz. La présente invention a alors pour objet un dispositif permettant de dissoudre un gaz dans un liquide L1, qui comprend: - un e chambre de dissolution comprenant une paroi supérieure, une paroi inférieure et des parois latérales, - ladite chambre de dissolution étant partiellement remplie du liquide L1 dans lequel le gaz doit être dissous, et partiellement remplie de gaz à dissoudre, délimitant ainsi une surface de séparation liquide/gaz, - des buses adaptées à l'injection d'un liquide L2 dans la chambre, lesdites buses étant prévues dans la zone gazeuse et dirigeant leur jet vers ladite surface de séparation, - au moins une arrivée de gaz à dissoudre, - au moins une sortie de liquide L1 dans lequel le gaz a été dissous, et - un dispositif de mise sous pression du liquide L2 pour injection par lesdites buses vers ladite surface de séparation. Le liquide L1 et le liquide L2 sont avantageusement identiques, par exemple de l'eau. L'eau traitée comprend évidemment plus de gaz dissous que l'eau injectée non traitée. Dans la présente demande et dans ce qui suit, le terme gaz désigne aussi bien un gaz qu'un mélange de plusieurs gaz, et par exemple, selon les applications visées l'air, l'oxygène, les mélanges comportant de l'oxygène, les mélanges ozonés, chlorés etc... La chambre de dissolution est partiellement remplie du liquide L1 dans lequel le gaz doit être dissous. La surface de séparation liquide/gaz est par exemple à un niveau compris entre 50 et 95 % de la hauteur de la chambre de dissolution par rapport à sa base, avantageusement compris entre 70 et 95* %, et de préférence compris entre 75et 90%. Son volume varie selon les dimensions de l'appareil, mais l'on peut dire qu'il va être couramment supérieur ou égal à 1000 litres. De même si quasiment toute forme de chambre peut être envisagée, on préférera selon la présente invention utiliser une forme de cylindre creux, et de façon générale toute forme qui favorise une flottaison substantiellement horizontale. Les buses sont par exemple des buses complexes adaptées au gaz à injecter et à la pression utilisée, mais elles peuvent être aussi de simples trous usinés dans la paroi supérieure de la chambre de dissolution. Elles peuvent projeter un jet de liquide L2 de diamètre avantageusement compris entre par exemple 20 et 30 mm. Le nombre de buses mises en oeuvre peut extrêmement varier selon l'application considérée, atteignant plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines 5 de buses. Elles sont de préférence réparties régulièrement et notamment symétriquement sur la paroi supérieure de la chambre de dissolution. Elles peuvent aussi être installées sur les parois latérales de la chambre de dissolution et être coudées en direction du liquide. Avantageusement, les jets sont projetés perpendiculairement à la surface de séparation liquide/gaz, et, toujours avantageusement, plutôt de haut en bas. La hauteur de l'émulsion gaz/eau formée est fonction de la puissance des jets. Plus le diamètre des jets est important, plus la hauteur de l'émulsion sera faible. La hauteur de la chambre de dissolution est donc directement fonction de la hauteur de l'émulsion. Si l'arrivée de gaz à dissoudre, par exemple d'oxygène, est avantageusement prévue vers le haut de la chambre de dissolution, notamment dans la partie gazeuse de la chambre, rien n'empêche de prévoir celle-ci à tout niveau de la hauteur de la chambre. La source de gaz à dissoudre peut se trouver à distance du dispositif, et le gaz peut être apporté au dispositif par une canalisation. Une bonbonne de gaz peut aussi être prévue sur ou dans le dispositif pour rendre celuici plus autonome. Le liquide L2 peut être apporté directement sous pression au dispositif de l'invention, mais dans d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif de l'invention comprend une pompe. Cette pompe peut aspirer le liquide à traiter, le met sous pression et le projette dans le liquide L1 par les buses ménagées de préférence dans la paroi supérieure de la chambre de dissolution. A la base de la chambre de dissolution sont prévues une et de préférence plusieurs sorties de liquide traité, par exemple oxygéné. Chaque sortie comprend par exemple une embouchure interne à la chambre, qui puise l'eau traitée et une embouchure externe qui éjecte l'eau traitée hors du dispositif. L'embouchure de chaque sortie, interne à la chambre, est avantageusement dirigée vers le bas de la chambre. Elle se prolonge avantageusement d'un tube dépassant le carter du dispositif formant ainsi une prise. Il est ainsi possible d'y fixer un tuyau d'une grande longueur si désiré, pour transférer l'eau traitée, par exemple oxygénée, à distance du dispositif. Un robinet ou équivalent, éventuellement télécommandé, peut être prévu, par exemple pour régler la pression dans la chambre de dissolution et/ou pour gérer la sortie de liquide traité. Le dispositif de l'invention peut être retenu à la bonne hauteur de fonctionnement par des câbles. Cependant les zones d'installation possibles sont alors limitées. C'est pourquoi le dispositif de l'invention est avantageusement flottant. Il est alors muni de dispositifs de flottaison bien connus de l'état de la technique et agencé pour que de préférence les deux tiers inférieurs de la hauteur du dispositif soient immergés dans le liquide à traiter. On peut à cet effet en particulier prévoir une enveloppe annulaire creuse ou éventuellement renfermant un matériau léger comme du polystyrène expansé. Ainsi il est possible d'ancrer le dispositif de l'invention à distance de lieux émergés. Dans des conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, la chambre de dissolution a donc une forme de cylindre creux et le dispositif ci-dessus comprend en outre une chambre de mise sous pression installée dans le creux du cylindre, chapeautant la paroi supérieure de la chambre de dissolution et en communication de fluide, par l'intermédiaire des buses, avec la chambre de dissolution. L'ensemble peut être compartimenté, par exemple en deux, pour dissoudre deux gaz différents dans le même liquide L1 ou dissoudre le même gaz dans des proportions différentes. Des sas peuvent être prévus pour équilibrage de la pression dans les différents compartiments, pour utilisation d'un dispositif à plusieurs compartiments pour une seule utilisation. Dans d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, une pompe est prévue à la base de la chambre de mise sous pression. Cette pompe aspire le liquide à traiter, le met sous pression dans la chambre de 30 mise sous pression et le projette par les buses ménagées dans la partie supérieure de la chambre de dissolution. La pompe d'aspiration est avantageusement installée à la base de la chambre de mise sous pression. Les parois des chambres du dispositif de l'invention peuvent être réalisées en métal, mais sont préférentiellement réalisées en matière synthétique comme le polyester armé de fibre de verre, matière constitutive des coques des bateaux. Lorsque le dispositif de l'invention est muni d'une pompe, par exemple pour aspirer du liquide sous l'appareil, la ou les prises de liquide sont de préférence munies de grilles ou filtres interdisant l'aspiration des particules d'une dimension trop importante et risquant de boucher les buses. Dans encore d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif de l'invention est muni d'une purge installée au dessus de la surface de séparation liquide/gaz et permettant l'extraction des gaz résiduels. En effet, comme on le visualisera mieux ci-dessous en liaison avec une figure, en chargeant l'eau à traiter avec le gaz, disons par exemple de l'oxygène, le ciel gazeux se charge lui progressivement en azote (résultant notamment d'un phénomène de désorption), et donc au fil du temps il y aurait de moins en moins d'oxygène dans le ciel pour être transféré, il est donc hautement préférable de purger régulièrement le ciel gazeux. A cette fin, on peut procéder typiquement de la façon suivante: selon le débit de gaz injecté dans le ciel gazeux, le volume de phase gaz atteint une hauteur maximum limite que l'on a fixé au préalable, , au delà la purge se met en fonctionnement (il faut d'ailleurs noter que l'on va évacuer indifféremment de l'oxygène et de l'azote). Les dispositifs permettant de dissoudre un gaz dans un liquide objet de la présente invention possèdent de très intéressantes qualités. Ces qualités sont illustrées ci-après dans la partie expérimentale. Elles justifient l'utilisation des dispositifs ci-dessus décrits dans, mais non exclusivement, la dissolution d'oxygène gazeux dans de l'eau douce ou de l'eau de mer. Des applications particulières sont notamment celles de l'oxygénation de l'eau pour des élevages aquacoles, des rivières pauvres en oxygène, des lagunes ou des étangs. Les dispositifs objet de la présente invention ont la particularité de pouvoir être implantés au milieu de bassins, d'étangs, etc. On peut aussi bien prolonger les canalisations de gaz et le cas échéant les câbles électriques d'alimentation depuis le bord que prévoir un appareil autonome avec bombonne de gaz et batterie d'alimentation d'une pompe. Il est aussi possible d'amarrer l'appareil afin de le maintenir à la place choisie au bord ou rivage, ou par ancrage ou corps mort. C'est pourquoi la présente demande a aussi pour objet un procédé de dissolution d'un gaz dans un liquide L1 dans lequel, en utilisant un dispositif permettant de dissoudre un gaz dans un liquide L1, comprenant: - une chambre de dissolution comprenant une paroi supérieure, une paroi inférieure et des parois latérales, - ladite chambre de dissolution étant partiellement remplie du liquide L1 dans lequel le gaz doit être dissous, et partiellement remplie de gaz à dissoudre, délimitant ainsi une surface de séparation liquide/gaz, - des buses adaptées à l'injection d'un liquide L2 dans la chambre, lesdites buses étant prévues dans la zone gazeuse et dirigeant leur jet vers ladite surface de séparation, - au moins une arrivée de gaz à dissoudre, - au moins une sortie de liquide L1 dans lequel le gaz a été dissous, et - un dispositif de mise sous pression du liquide L2 pour injection par lesdites buses vers ladite surface de séparation, on apporte du gaz à dissoudre dans la chambre de dissolution, on projette sous pression un jet d'un liquide L2 par lesdites buses au travers du gaz vers ladite surface de séparation pour créer une émulsion gaz/eau, et on soutire une partie du liquide L1 ainsi traité. La puissance des jets est fonction à la fois de la pression du liquide L2 et du nombre et du diamètre interne des buses. L'homme de l'art peut par quelques expériences simples déterminer les conditions d'utilisation des dispositifs objet de la présente invention selon le résultat de dissolution recherché. La pression du liquide L2 est notamment déterminée par la puissance de la pompe de mise sous pression et par la surface cumulée des sorties de liquide L1. Les conditions préférentielles de mise en oeuvre des dispositifs permettant de dissoudre un gaz dans un liquide L1 ci-dessus décrites s'appliquent également aux autres objets de l'invention visés ci-dessus, notamment au procédé de dissolution d'un gaz dans un liquide ci-dessus. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la figure unique annexée qui représente de façon schématique une vue en élévation et en coupe d'un dispositif selon l'invention. Sur la figure, on observe un dispositif selon l'invention dans lequel les principaux éléments ont été installés de manière régulière et les chambres de manière concentrique. Le dispositif comprend une chambre de dissolution 1 en forme de cylindre creux rempli à sa partie inférieure d'eau et dont la partie supérieure, au dessus de la surface de séparation 2 gaz/eau, est rempli d'oxygène 3 apporté par une conduite 16. Cette conduite 16 est reliée par un tuyau d'alimentation à une source d'alimentation (non représentée) en oxygène. Elle est installée dans la paroi latérale externe 5 de la chambre de dissolution 1. Dans la paroi supérieure 6 de la chambre de dissolution 1 sont prévues des buses 7 (visibles ici au nombre de 4) permettant l'injection d'eau sous pression. Ces buses 7 sont ici de simples trous en cuvette usinés dans la paroi supérieure 6 de la chambre de dissolution 1. Extérieurement par rapport à la chambre de dissolution 1 est prévue une chambre de flottaison annulaire 8 entourant ladite chambre de dissolution 1. Cette chambre de flottaison 8 est remplie de polystyrène expansé. Elle permet au dispositif de flotter à la surface d'un étang 9. La partie inférieure du dispositif est immergée sous la surface de l'eau de l'étang et comprend une prise d'eau 10. Le mode de réalisation illustré ici, tant dans sa structure que dans les matériaux utilisé, permet une flottabilité permanente et parfaitement horizontale, et notamment par le fait que les éléments constitutifs sont concentriques les uns aux autres. L'eau aspirée par la pompe électrique 11 met sous pression une chambre de mise sous pression 12 remplie d'eau aspirée. Cette eau sous pression jaillit sous forme de jets 13 par les buses 7 comme représenté à gauche du dessin. Elle entraîne avec elle l'oxygène installé dans la partie haute de la chambre de dissolution, 1 produisant au sein de l'eau de nombreuses bulles 14 d'oxygène qui s'y dissolvent. Cette arrivée continue d'eau aspirée par la pompe 11 s'évacue, oxygénée, par des sorties 15 d'eau traitée. Celles-ci ont ici la forme d'un tube doublement coudé à angles droits, dont l'entrée et la sortie sont dirigées vers le bas. Sur cette réalisation, les sorties 15 d'eau traitée sont au nombre de six, dont quatre visibles sur le dessin. Avantageusement, le diamètre des tubes de sortie sont aménagés au moyen de réductions pour que la pression interne soit maintenue au.minimum à 100 mbars. Une conduite et un robinet de purge 4/5 ont été installés dans le haut de la chambre de dissolution 1, près de la paroi supérieure. On détaillera son fonctionnement plus loin ci-dessous. La chambre de mise sous pression 12 a, dans cette réalisation, une forme générale, vue en coupe, en forme de T. La partie inférieure de cette chambre de mise sous pression 12 est cylindrique et occupe le centre de la chambre de dissolution 1 et sa partie supérieure, en forme de goutte de suif, vient chapeauter la totalité de la chambre de dissolution 1. La pompe électrique 11 est suspendue au couvercle du dispositif par un câble 17. Une alimentation électrique 18 apporte à la pompe 11 l'électricité nécessaire à son fonctionnement. En fonctionnement, la pompe 11 aspire une partie du liquide du milieu à traiter 9, met ce liquide sous pression dans la chambre de mise sous pression 12, et le dirige par le tube central vers la partie supérieure de la chambre de dissolution 1. Les orifices pratiqués dans la paroi supérieure 6 de la chambre de dissolution 1 forment des buses 7 qui divisent l'eau aspirée par la pompe 11 en jets 13 identifiés et séparés. Chacun des jets 13 traverse l'atmosphère d'oxygène, puis crève la surface de l'eau qui forme en présence de l'oxygène une multitude de bulles. Ces bulles forment une émulsion permettant la dissolution de l'oxygène. Mais par ailleurs, comme il apparaîtra clairement à l'homme du métier, en chargeant l'eau à traiter avec le gaz, disons par exemple de l'oxygène, le ciel gazeux se charge lui progressivement en azote (résultant notamment d'un phénomène de désorption de l'azote de l'eau), et donc au fil du temps il y a de moins en moins d'oxygène dans le ciel pour être transféré, il est donc hautement préférable de purger régulièrement le ciel gazeux. A cette fin, on utilise le système de purge 4/5 représenté sur la figure de la façon suivante: selon le débit de gaz injecté dans le ciel gazeux, le volume de phase gaz atteint une hauteur maximum limite que l'on a fixé au préalable, au delà la purge se met en fonctionnement grâce à la détection de niveau effectuée par le bec 5, en deçà, le bec plonge dans l'eau et donc la purge ne s'exerce pas. Comme on l'a déjà noté plus haut, on va évacuer grâce à ce système indifféremment de l'oxygène et de l'azote se trouvant dans le ciel gazeux. Les dimensions du mode de réalisation de l'appareil représenté sont approximativement les suivantes: - Hauteur de la chambre de dissolution 1: 100 cm - Hauteur de la partie supérieure de la chambre de mise sous pression 12:20 cm - Diamètre de la chambre 12: 50 cm - Diamètre externe de la chambre de dissolution 1: 146 cm - Diamètre interne de chacun des six orifices 15 de sortie: 9 cm Exemple d'application On a oxygéné de l'eau de mer à l'aide du dispositif ci-dessus dans les conditions suivantes. Débit d'eau traité par la pompe 110 litres par seconde Température de l'eau 22 C Puissance de la pompe 6 KWh Apport d'oxygène 9000 g/h Pression interne au réacteur 300 mbars On note alors les avantages suivants, de la mise en oeuvre du procédé et dispositif de l'invention, par rapport aux performances de l'installation antérieure de ce site utilisateur: - une bien meilleure homogénéité de l'oxygène dans le bassin (démontrée par l'accomplissement de très nombreux relevés d'oxygène en de multiples points du bassin) ; - la consommation en gaz du site a été divisée par trois (ce qui est bien significatif des pertes très importantes qu'il subissait du fait de l'inefficacité du transfert). REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de dissoudre un qaz dans un liquide L1, qui comprend: - une chambre de dissolution (1) comprenant une paroi supérieure, une paroi inférieure et des parois latérales, - ladite chambre de dissolution étant partiellement remplie du liquide L1 dans lequel le gaz doit être dissous, et partiellement remplie de gaz (3) à dissoudre, délimitant ainsi une surface (2) de séparation liquide/gaz, - des buses (7) adaptées à l'injection d'un liquide L2 dans la chambre, lesdites buses étant prévues dans la zone gazeuse et dirigeant leur jet (13) vers ladite surface de séparation, - au moins une arrivée (16) de gaz à dissoudre, au moins une sortie (15) de liquide L1 dans lequel le gaz a été 15 dissous, et - un dispositif (12) de mise sous pression du liquide L2 pour injection par lesdites buses vers ladite surface de séparation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de dissolution a une forme de cylindre creux et en ce que le dispositif de mise sous pression comprend une chambre de mise sous pression installée dans le creux du cylindre, chapeautant la paroi supérieure de la chambre de dissolution et en communication de fluide, par l'intermédiaire des buses, avec la chambre de dissolution. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe, apte à aspirer le liquide à traiter, à le mettre sous pression dans la chambre de mise sous pression et à le projeter par lesdites buses vers ladite surface de séparation. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce la pompe est installée à la base de la chambre de mise sous pression. 10 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les buses sont réparties régulièrement et symétriquement sur la paroi supérieure de la chambre de dissolution. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les buses sont installées sur les parois latérales de la chambre de dissolution. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les buses sont agencées de manière à ce que les jets soient projetés sensiblement perpendiculairement à ladite surface de séparation, et préférentiellement de haut en bas. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est muni d'une purge (4/5) installée au dessus de ladite surface de séparation liquide/gaz et permettant l'extraction de gaz de la phase gazeuse située au dessus de la surface de séparation. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite purge est constituée et positionnée de façon à pouvoir se mettre en fonctionnement selon la valeur du volume ou de la hauteur de ladite phase gazeuse par rapport à une valeur limite prédéterminée de ce volume ou de cette hauteur. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un flotteur cylindrique (8) , concentrique, extérieur à la chambre de dissolution, apte à réaliser une flottaison substantiellement horizontale du dispositif. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les liquides L1 et L2 sont identiques. 12. Procédé de dissolution d'un qaz dans un liquide L1 dans lequel, on utilise un dispositif permettant de dissoudre un gaz dans un liquide L1, comprenant: - une chambre de dissolution comprenant une paroi supérieure, une paroi inférieure et des parois latérales, - ladite chambre de dissolution étant partiellement remplie du liquide L1 dans lequel le gaz doit être dissous, et partiellement remplie de gaz à dissoudre, délimitant ainsi une surface de séparation liquide/gaz, - des buses adaptées à l'injection d'un liquide L2 dans la chambre, lesdites buses étant prévues dans la zone gazeuse et dirigeant leur jet vers ladite surface de séparation, - au moins une arrivée de gaz à dissoudre, -au moins une sortie de liquide L1 dans lequel le gaz a été dissous, 15 et - un dispositif de mise sous pression du liquide L2 pour injection par lesdites buses vers ladite surface de séparation, et dans lequel on apporte du gaz à dissoudre dans la chambre de dissolution, on projette sous pression un jet d'un liquide L2 par lesdites buses au travers du gaz vers ladite surface de séparation pour créer une émulsion gaz/eau, et on soutire une partie du liquide L1 ainsi traité. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les liquides L1 et L2 sont identiques. 10