Brevet FR2941384A1 — publié le 20100730

DISPOSITIF DE DISSOLUTION D'UN GAZ DANS UN LIQUIDE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour dissoudre de l'air (ou tout autre gaz) dans de l'eau (ou dans un autre liquide). Il peut être également mis en oeuvre pour dissoudre un mélange de plusieurs gaz dans un mélange de plusieurs liquides. Ce type de dispositif est couramment dénommé ballon de dissolution d'air ou tube de dissolution d'air. Il est plus particulièrement destiné à la pressurisation pour la clarification d'eau par flottation à air dissous dans le domaine du traitement des effluents. Il peut être utilisé également en tant que réacteur dans certains procédés industriels. ART ANTERIEUR La solubilité des gaz dans les liquides est limitée. Elle dépend, entre autres facteurs, de la pression (loi de Henry). Ainsi, plus la pression augmente et plus la quantité de gaz susceptible d'être dissous dans le liquide augmente. Ce faisant, la dissolution d'un gaz dans un liquide peut être effectuée à la pression atmosphérique (on parle alors d'aération ou de billage), ou sous pression. Le dispositif selon l'invention concerne cette deuxième technique û la dissolution sous pression. Il existe une multitude de dispositifs de dissolution sous pression de gaz dans un liquide. Selon les techniques utilisées on retrouve les principaux types de dispositifs suivants : Les pompes centrifuges : celles-ci sont le plus souvent multi étages. Le gaz est introduit à l'aspiration ou dans le premier étage de la pompe. Ainsi, il est dispersé dans le liquide 30 par la turbine, puis dissous sous l'effet de la pression. Les tubes ou ballons de dissolution : le liquide est introduit dans le dispositif sous pression et le gaz est diffusé à l'intérieur sous forme de bulles. Le mélange assuré par la vitesse de circulation du liquide à l'intérieur du tube et la pression provoquent la 35 dissolution du gaz à travers l'échange entre la surface des bulles et le liquide, c'est-à-dire à l'interface défini par les bulles. Les ballons à simple ou multiples injecteurs : le liquide est introduit sous pression dans le dispositif (ballon) par un ou plusieurs injecteurs. Une couche de gaz est maintenue en partie supérieure du ballon par un moyen quelconque. L'injecteur (ou les injecteurs) aspire le gaz depuis cette couche de gaz et l'introdui(sen)t dans une cheminée aboutissant vers le fond du ballon. En sortie de cette cheminée, le gaz aspiré remonte vers la surface sous forme de bulles. La dissolution est assurée par la pression et l'échange à travers l'interface défini par les bulles dans la cheminée et lors de la remontée des bulles de gaz depuis le fond vers la surface. Tous ces dispositifs ont un point commun : le gaz est dispersé dans le liquide et il y forme des bulles qui remontent rapidement vers la partie supérieure du réacteur. L'échange entre le gaz et le liquide se fait à travers la surface des bulles (l'interface bulle/liquide). Même si les bulles de gaz formées sont relativement fines (en général quelques millimètres de diamètre), leur vitesse de remontée dans le liquide est relativement importante. Cela limite la durée d'échange, et corollairement, l'efficacité de la dissolution. En outre, les bulles ont également tendance, en raison des phénomènes de tension superficielle, à s'agglomérer rapidement pour former des bulles de plus grosse taille, ce qui limite la surface d'échange. Il résulte ainsi, qu'afin d'aboutir au degré de dissolution souhaité, les dispositifs de ce type nécessitent souvent un volume important, dans lequel le même gaz est dispersé plusieurs fois par les injecteurs, ce qui les rend coûteux. Une autre solution consiste à fonctionner en excès de gaz, c'est-à-dire à introduire bien plus de gaz que ce qui se dissout réellement dans le liquide pour augmenter la surface d'échange. Cela entraîne une perte de gaz, car l'excès de gaz non dissous doit être purgé pour ne pas remplir tout le volume avec le gaz. D'une manière générale, dans les dispositifs de l'art antérieur, la surface d'échange est limitée car il s'agit toujours de dissoudre peu de gaz dans beaucoup de liquide, d'où la faible quantité de gaz et donc de bulles circulant dans le liquide. 30 EXPOSE DE L'INVENTION Le dispositif selon l'invention est du même type que les dispositifs ballons et tubes décrits précédemment. Néanmoins, la structure du dispositif visé permet la mise en oeuvre d'une technique de dissolution différente qui consiste à disperser le liquide dans un volume de gaz et non pas l'inverse - disperser le gaz dans un volume de liquide comme décrit ci-dessus. Cette technique permet d'augmenter considérablement la surface d'échange entre le liquide et le gaz et, par conséquent, d'augmenter l'efficacité de la dissolution, de réduire le volume du réacteur et d'éviter les pertes de gaz. A cet effet, le dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression selon l'invention, comprend : - un réservoir équipé d'une entrée de liquide disposée en partie supérieure du réservoir, apte à introduire le liquide au sein du réservoir à une certaine vitesse et à l'étaler en couche fine au sein du réservoir ; - des moyens de dispersion du liquide ainsi étalé, disposé sur la trajectoire du liquide, aptes à disperser ledit liquide après son entrée dans le réservoir ; - une sortie de liquide disposée en partie inférieure du réservoir ; - des moyens aptes à maintenir l'interface gaz/liquide à l'intérieur du réservoir à un niveau tel qu'il permette de créer une poche de gaz en partie supérieure du réservoir. Selon l'invention, la surface sur laquelle le liquide est étalé peut être constituée par la paroi interne du réservoir, ou par une surface autre que la paroi interne du réservoir, située à l'intérieur de ce dernier et sur la trajectoire du liquide. Selon l'invention, les moyens de dispersion du liquide sont constitués par une pluralité de barrettes, de palles ou tout autre obstacle mécanique aptes à dévier le liquide de sa trajectoire lors de son introduction au sein du réservoir et de le disperser dans la poche de gaz créée en partie supérieure du réservoir. Ces moyens de dispersion peuvent être fixés sur la paroi au niveau de laquelle le liquide est étalé en couche fine, ou peuvent être indépendants de la paroi sur laquelle le liquide est étalé en couche fine. 335 Selon l'invention, les moyens aptes à maintenir l'interface gaz/liquide à un niveau déterminé sont constitués d'une canalisation de purge du gaz excédentaire débouchant au sein du réservoir et munie d'une vanne de régulation du débit de purge, et d'une vanne montée sur la sortie de liquide. BREVE DESC RIPTION DES FIGURES La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non 10 limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique en section transversale du dispositif de dissolution conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique en section verticale du dispositif de 15 dissolution de la figure 1. La figure 3 est une représentation schématique en section transversale d'une autre forme de réalisation du dispositif de dissolution conforme à l'invention. La figure 4 est une représentation schématique en section verticale du dispositif de dissolution de la figure 3. 20 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Selon une première forme de réalisation de l'invention plus particulièrement décrite en relation avec les figures 1 et 2, le dispositif de dissolution, appelé par la suite � le 25 réacteur �, comprend un réservoir cylindrique fermé (1) équipé d'une tuyauterie d'entrée de liquide (2) située en partie supérieure du réservoir (1). Il comprend également une entrée de gaz (3) et une tuyauterie de sortie du liquide (6) située en bas du réservoir. 30 L'entrée du liquide (2) est dimensionnée de façon à introduire le liquide dans le réservoir (1) à une certaine vitesse. Elle est disposée tangentiellement par rapport au corps cylindrique du réservoir de façon à ce que le liquide introduit dans le réservoir (1) effectue un mouvement de rotation en spirale autour de l'axe de révolution du réservoir (1) par l'effet de la force centrifuge. 35 Avantageusement, la face interne du réservoir (1) comporte en zone supérieure de la paroi latérale le définissant une pluralité de barrettes (7) s'étendant vers l'intérieur du réservoir (1) depuis ladite face interne, et qui jouent le rôle d'obstacles sur le trajet du liquide circulant en spirale sur la paroi interne dudit réservoir. Le dispositif selon l'invention fonctionne de la manière suivante : Le réacteur est alimenté en liquide par l'entrée (2) qui introduit ce dernier vers la partie supérieure du réacteur. Le liquide est introduit à une certaine vitesse permettant, grâce à 10 la force centrifuge, de plaquer ce dernier contre la paroi interne du réacteur et de l'étaler ainsi en couche fine. Le gaz à dissoudre est introduit dans le réservoir (1) par l'entrée de gaz (3). Ce gaz forme une poche en partie supérieure du réservoir (1). Le niveau inférieur de cette poche est déterminé par l'extrémité (5) d'un tuyau de purge de gaz excédentaire (4). 15 Des vannes de régulation (8) et (9), respectivement positionnées sur la tuyauterie de sortie de liquide (6) et sur la canalisation de purge de gaz excédentaire (4) permettent de maintenir le réservoir (1) sous pression et de réguler respectivement le débit du liquide traversant le réacteur et le débit de purge du gaz, de façon à maintenir le niveau du 20 liquide dans le réservoir au niveau de l'orifice (5). En tournant en spirale sur la paroi interne latérale du réservoir, le liquide rencontre les barrettes (7) qui dispersent le liquide dans la poche de gaz. Ainsi, un grand volume de liquide dispersé en petites gouttes dans la poche de gaz offre une surface d'échange bien 25 plus importante que celle offerte par la dispersion d'un petit volume de gaz dans un grand volume de liquide. Le dispositif selon l'invention peut présenter diverses variantes. Ainsi donc, le réservoir (1) peut être cylindrique, conique ou d'une autre forme. 30 Le liquide peut être étalé sur la paroi interne du réservoir (1) comme décrit ci-dessus, mais il peut être étalé aussi sur une autre surface indépendante de la paroi du réservoir. Cette surface peut avoir une forme cylindrique, conique ou spirale et être disposée de manière concentrique ou excentrique par rapport à l'axe de révolution du réservoir (1). 35 Elle peut ainsi guider le liquide vers le bas en suivant sa trajectoire naturelle, ou au contraire, le guider vers le haut pour l'obliger à retomber sur lui-même et assurer ainsi une meilleure dispersion.5 Les barrettes (7) peuvent être fixées sur la paroi sur laquelle le liquide est étalé ou sur un autre support indépendant de cette paroi. Ainsi, lesdites barrettes peuvent être fixées sur un support vertical situé selon l'axe de révolution du réservoir et s'étendre depuis ledit axe en direction de l'extérieur, c'est-à-dire en direction de la paroi du réservoir. Aussi, elles peuvent être fixées sur une multitude de supports disposés plus ou moins verticalement et fixés sur la partie supérieure du réservoir (1). Les barrettes (7) peuvent être disposées de façon dispersée ou bien en plusieurs rangées successives. En outre, elles peuvent être disposées perpendiculairement par rapport à la 10 trajectoire du liquide ou avec une certaine inclinaison. Les barrettes (7) peuvent être remplacées par des plaques, des palles ou tout autre obstacle mécanique formant un dispositif de dispersion susceptible de dévier le liquide de sa trajectoire et de le disperser dans l'ambiance gazeuse créée en partie supérieure du 15 réacteur. L'entrée du gaz (3) peut être située n'importe où dans le réacteur, et notamment au dessus ou au dessous du niveau du liquide. Le cas échéant, le gaz peut être introduit dans le liquide en amont du dispositif selon l'invention, c'est-à-dire dans la tuyauterie 20 (2). Dans ce cas, le dispositif est dépourvu d'entrée de gaz. Le liquide dans le réacteur peut être maintenu au niveau souhaité non pas par une purge permanente de gaz excédentaire, mais par un autre dispositif quelconque. A titre indicatif ce dispositif pourrait être composé d'un ensemble flotteur/régulateur de débit 25 du gaz qui diminue le débit du gaz lorsque le niveau du liquide baisse et vice versa. Ou encore, la vanne manuelle (9) pourrait être remplacée par un diaphragme (trou calibré) ou bien par une vanne automatique s'ouvrant périodiquement en fonction du niveau liquide dans le réacteur. 30 Selon une variante de l'invention, plus particulièrement décrite en relation avec les figures 3 et 4, le liquide est introduit non pas tangentiellement par rapport au réservoir (11), mais verticalement selon l'axe de révolution de ce dernier. Ainsi il est projeté sur la partie supérieure du réservoir (11) pour être étalé en couche fine sur cette dernière par la vitesse du liquide et par la force centrifuge si, comme représenté, ladite partie 35 supérieure est bombée. Dans ce cas, la dispersion du liquide est assurée par des barrettes (17), émanant de la face interne de la partie supérieure bombée et sensiblement dirigées en direction de l'axe de révolution du réservoir, et émanant de manière radiale de la face interne de la zone supérieure de la paroi latérale définissant le réservoir (11), à l'instar des barrettes (7) des figures 1 et 2.. Les autres éléments de ce mode de réalisation sont les mêmes que ceux du dispositif illustré au sein des figures 1 et 2. Le fonctionnement de cette variante du dispositif est basé sur le même principe ù le liquide est étalé en couche fine sur la paroi et est dispersé finement par les barrettes 10 (17). REVENDICATIONS1. Dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression, comprenant : - un réservoir (1, 11) équipé d'une entrée de liquide (2, 12) disposée en partie supérieure du réservoir, apte à introduire le liquide au sein du réservoir (1, 11) à une certaine vitesse et à l'étaler en couche fine au sein du réservoir ; - des moyens (7, 17) de dispersion du liquide ainsi étalé, disposé sur la trajectoire du liquide, aptes à disperser ledit liquide après son entrée dans le réservoir (1, 11) ; - une sortie de liquide (6, 16) disposée en partie inférieure du réservoir (1, 11) ; - des moyens (4, 8, 9, 14, 18, 19) aptes à maintenir l'interface gaz/liquide à l'intérieur du réservoir (1, 11) à un niveau tel qu'il permette de créer une poche de gaz en partie supérieure du réservoir (1, 11). 2. Dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface sur laquelle le liquide est étalé est constituée par la paroi interne du réservoir (1, 11). 3. Dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface sur laquelle le liquide est étalé est constituée par une surface autre que la paroi interne du réservoir (1, 11), située à l'intérieur de ce dernier et sur la trajectoire du liquide. 4. Dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de dispersion du liquide sont constitués par une pluralité de barrettes (7, 17), de palles ou tout autre obstacle mécanique aptes à dévier le liquide de sa trajectoire lors de son introduction au sein du réservoir (1, 11) et de le disperser dans la poche de gaz créée en partie supérieure du réservoir. 5. Dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de dispersion du liquide (7, 17) sont fixés sur la paroi au niveau de laquelle le liquide est étalé en couche fine.35 6. Dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de dispersion du liquide sont fixés indépendamment de la paroi sur laquelle le liquide est étalé en couche fine. 7. Dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens aptes à maintenir l'interface gaz/liquide à un niveau déterminé sont constitués d'une canalisation de purge du gaz excédentaire (4, 14) débouchant en (5, 15) au sein du réservoir et munie d'une vanne de régulation du débit de purge (9, 19), et d'une vanne (8, 18) montée sur la sortie de liquide (6, 16).