La présente invention concerne un dispositif permettant le transfert d'une phase gazeuse dans une phase liquide, l'apport de la phase gazeuse étant destiné à assurer le déroulement de réactions devant se développer ultérieurement dans la phase liquide.
Ce dispositif est principalement destiné à la réalisation de traitements telles que les réactions chimiques, biologiques et métaboliques comportant le transfert d'une phase gazeuse dans une phase liquide, cette phase liquide pouvant être une eau industrielle ou domestique.
Beaucoup de traitements mettant en jeu des transformations chimiques ou biologiques, en particulier celles se produisant dans le traitement aérobie des eaux résiduaires, demandent que soit incluse dans le milieu réactionnel la phase gazeuse nécessaire aux réactions chimiques, biochimiques et métaboliques des micro-organismes présents dans le milieu réactionnel que représente la phase liquide.
De plus, pour être efficace le système nécessite un mélange des deux phases.
On connaît déjà des dispositifs tels que les aérateurs de surface à turbines fixes ou flottantes, lentes ou rapides ou à brosses, les systèmes immergés par injection d'air tels que aérateurs statiques, clapets vibreurs et diffuseurs poreux et les systèmes par pompes déprimogènes à jets fixes ou mobiles.
Ces dispositifs ne permettent l'obtention d'un mélange très homogène qu'au prix d'une dépense d'énergie élevée.
On connait également des dispositifs tels que celui décrit dans le document DE-A-3218227 qui utilisent un éjecteur venturi pour assurer l'aération de la phase liquide. Ils sont plus économes en énergie que les dispositifs cités ci-dessus.
On connait également par US-A-4123800 un injecteur-mélangeur de liquides comprenant un convergent, un col et un divergent prolongé par une cheminée de diamètre égal à celui du divergent.
On peut juger des performances intrinsèques d'un équipement d'aération au travers de deux critères qui sont :
On intercale en outre entre la sortie du divergent et l'entrée de la cheminée une pièce cylindrique intermédiaire de raccordement. Cette pièce intermédiaire est percée de lumières mettant en communication l'intérieur de la cheminée et la phase liquide dans laquelle baigne le dispositif.
Le ou les dispositifs sont immergés dans un bassin ou tout autre type de réservoir contenant la phase liquide.
Celle-ci est introduite par une pompe à l'entrée du convergent avec une vitesse initiale adaptée au venturi. La phase gazeuse est introduite au col du venturi et peut être selon les cas aspirée par la phase liquide qui joue alors le rôle de fluide moteur ou introduite par l'effet combiné de la pression due à un compresseur de gaz et de l'aspiration due à la phase liquide. Le divergent assure un mélange entre les deux phases. La cheminée et la pièce cylindrique intermédiaire placée à la sortie du divergent renforcent considérablement l'effet du venturi en assurant une zone de contact importante dans un espace relativement confiné ce qui permet d'obtenir un bien meilleur transfert gaz/liquide que par les procédés actuellement connus. En outre, la vitesse du mélange phase liquide et phase gazeuse dans la cheminée provoque l'aspiration d'une partie de la phase liquide extérieure au travers des lumières de la pièce cylindrique intermédiaire. Un tel effet est recherché en particulier chaque fois que la quantité de gaz contenu dans le mélange phase liquide/phase gazeuse sera supérieure à la capacité d'absorption de la phase liquide.
La nature du ou des matériaux servant à la réalisation du dispositif n'a pas d'influence sur l'efficacité de celui-ci. C'est la nature des phases en présence qui déterminera les matériaux à utiliser. Les raccordements du dispositif aux diverses tuyauteries peuvent être de tout type et notamment à souder, à coller, à brides, et à visser.
Le venturi est calculé de telle façon que la vitesse du flux dans la cheminée assure aux bulles de gaz qui sont soumises à deux influences: le flux ascendant du mélange et la force d'archimède, une vitesse descendante faible permettant aux dites bulles d'être dissoutes de façon maximale par la phase liquide.
Des essais menés avec le dispositif objet de l'invention ont conduit à des résultats faisant apparaître des coefficients de transfert pouvant atteindre 0,35 seconde moins un, bien supérieurs à ceux obtenus par les dispositifs connus et cités précédemment.
Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé pour tous les procédés nécessitant le transfert d'une phase gazeuse dans une phase liquide, notamment pour les traitements d'eaux industrielles ou domestiques, usées ou potables, en particulier pour les opérations d'aération à l'air ou à l'air enrichi, d'oxygénation, de chloration et d'ozonation.
Les dispositifs peuvent être associés en parallèle, leur nombre dépendant du volume de phase liquide à traiter. Deux ou plusieurs dispositifs peuvent être montés en série, en particulier lorsque les conditions d'absorption de la phase gazeuse dans la phase liquide sont difficiles c'est à dire lorsque la solubilité de la phase gazeuse est faible dans les conditions prévues pour le traitement, ou si une réaction intervient avec consommation du gaz dissous.
D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite, à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Si l'on considère la figure 1, le dispositif comporte un convergent 1 d'angle 40 degrès environ et de longueur 127 millimètres. Côté entrée de ce convergent, qui sert d'entrée à la phase liquide, se trouve une partie cylindrique 6 destinée au raccordement de la tuyauterie amenant la phase liquide. Le diamètre d'entrée du convergent 1 est égal à 114 millimètres.
Après le convergent se trouve le col 2 du venturi. Il a un diamètre de 25,4 millimètres et une longueur de 25,4 millimètres. Le col 2 comporte équidistant de ses deux extrémités un piquage 7 dépassant extérieurement de 50,8 millimètres et destiné à l'alimentation du dispositif par la phase gazeuse. Le diamètre de ce piquage est de 6 millimètres. Dans une variante de cette réalisation où la phase gazeuse est admise par induction due à la force motrice de la phase liquide, le diamètre est de 8 millimètres.
Le col 2 est suivi du divergent 3 formant un angle de 10 degrés. Sa longueur est telle que le diamètre de sortie soit égal au diamètre d'entrée du convergent, soit 506 millimètres.
On intercale entre le venturi et la cheminée 5 une pièce d'espacement 4.
Dans un exemple préféré, son diamètre est égal à 114 millimètres, sa longueur à 114 millimètres. La pièce intercalaire est ajourée par trois lumières présentant un dégagement maximal compatible avec sa réalisation.
Après la pièce d'espacement 4 on trouve la cheminée 5. Elle est cylindrique, de diamètre égal à celui de la sortie du divergent 3, sa longueur est égale à 1030 millimètres.
Sur la figure 2, on peut voir comment sont mis en oeuvre les dispositifs décrits ci-dessus. Dans le bassin 8 on envoie à l'entrée des dispositifs 12 la phase liquide par l'intermédiaire d'une pompe 9 et d'une rampe d'alimentation 10. De même, on envoie au col des dispositifs 12 la phase gazeuse par l'intermédiaire d'un compresseur 11 et d'une rampe 13. Le bassin a une capacité de 1000 mètres cubes, la pompe 9 a un débit de 2400 mètres cubes par heure pour une pression de 1 bar, le compresseur 11 a un débit de 3, 3 mètres cubes par minute pour une pression de 0, 4 bar.
L'installation est de préférence équipée de 263 dispositifs, chacun disposé sensiblement verticalement. Elle assure une capacité d'oxygénation de 51 grammes d'oxygène par mètre cube et par heure. La puissance brute requise est de 30 kilowatts, soit une puissance spécifique de 30 watts par mètre cube.
La figure 3 permet de comparer les valeurs des coefficients de transferts en fonction de la vitesse de la phase liquide à savoir 0,2624 mètre par seconde en utilisant le dispositif objet de l'invention: courbe 14 et les coefficients obtenus en utilisant les dispositifs déjà connus : courbes 15 (plateau poreux), 16 (venturi classique), 17 (colonne à bulles et mélangeur statique).
Les courbes 16 et 17 ont été obtenues par WANG et AL en 1978, les autres expérimentalement par les inventeurs. En abscisses figurent les vitesses superficielles de gaz en mètre par seconde, en ordonnées figurent les coefficients de transfert en seconde moins un.
La figure 4 permet de comparer les valeurs des capacités d'oxygénation en fonction des puissances spécifiques mises en oeuvre par le dispositif objet de l'invention: courbes 18 et 19 (débit de la phase liquide égal à 2,5 litres par seconde pour courbe 18, débit de la phase liquide égal à 5 litres par seconde pour courbe 19) et les coefficients obtenus par les dispositifs déjà connus : courbe 20 (courbe enveloppe maximale des valeurs statistiques relatives aux turbines rapides, lentes et aux brosses ), 21 (turbine lente brosse) et 22 (turbine rapide). Les courbes 20, 21 et 22 ont été tracées avec les résultats de mesures citées par CEMAGREF en 1980, les autres expérimentalement par les inventeurs. En *abcisses figurent les puissances spécifiques en watts par mètre cube, en ordonnées figurent les capacités d'oxygénation en grammes d'oxygène par mètre cube et par heure.
Chacun des dispositifs décrits ci-dessus est très performant en soi. Cependant, dans certains cas et en présence de certains fluides qui sont caractérisés par une faible viscosité et/ou une forte tension de vapeur, ou en présence de certains gaz occlus ou phase dispersée de bas poids moléculaire, son utilisation en mode vertical peut conduire à une accumulation de gaz ou une coalescence de celui-ci dans la cheminée du dispositif.
Les modes de réalisation représentés sur les figures 5 à 8 diffèrent de ceux décrits ci-dessus en ce qu'ils comprennent, en plus, un garnissage dans la cheminée qui joue le rôle de rupteur de bulles et empêche ainsi la coalescence des bulles du gaz.
Comme représenté sur la figure 5, le dispositif comporte un garnissage 30 disposé dans la cheminée 5. Le garnissage est formé de deux éléments 32 et 34, chacun comprenant une structure grillagée 36 telle que représentée sur la figure 9. La structure grillagée 36 comprend deux séries de fils 38 disposées de manière orthogonale formant des mailles carrées qui sont soit soudées, soit enchevêtrées. Les fils 38 peuvent être, par exemple, en une matière plastique, en acier inoxydable ou bien consister en fils métalliques plastifiés.
Le premier élément 32 du garnissage 30 est formé d'une structure grillagée 36 qui est enroulée pour qu'elle prenne une forme sensiblement spirale. Le deuxième élément 34 du garnissage 30 est également formé d'une structure grillagée qui est pliée de façon à avoir une section sensiblement en dent de scie. Une fois pliée, la structure grillagée est enroulée pour prendre une forme correspondant à celle du premier élément. De préférence, les deux éléments 32 et 34 sont enroulés ensemble. Une fois enroulé, le garnissage 30 est monté à l'intérieur de la cheminée 5
Afin de retenir le garnissage 30 dans la cheminée 5, on peut envisager de former le garnissage avec un diamètre externe qui est entre 1,10 et 1,20 fois le diamètre interne de la cheminée 5. Dans ce cas, le garnissage 30 est emmanché à force dans la cheminée 5. On peut également prévoir de former le garnissage 30 avec un diamètre externe sensiblement égal ou légèrement inférieur au diamètre interne de la cheminée 5. Dans ce cas, le dispositif comprend, en outre, un moyen pour retenir le garnissage 30 en place dans la cheminée 5. Les dispositifs représentés sur les figures 5 à 7 comportent chacun un moyen différent pour retenir le garnissage 30. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le garnissage 30 est retenu par un ressort de blocage 40 qui est sensiblement en forme de C et qui comporte deux bras, extrêmes 42 dirigés vers le centre du C. Le ressort de blocage 40 est monté autour de l'extérieur de la cheminée 5, les bras 42 passant par des ouvertures 44 formées dans la cheminée 5 pour engager les mailles de l'élément 32. Le ressort de blocage 40 est retenu en place entre deux brides 46 qui sont formées chacune par repliage d'une partie de la tôle de la cheminée 5.
Le mode de réalisation de la figure 6 diffère de celui de la figure 5 en ce que le ressort de blocage 40′ est monté à l'intérieur de la cheminée 5. Dans ce cas, les bras 42′ sont repliés vers l'extérieur et passent par des ouvertures 44′ formées dans la cheminée 5. Une troisième ouverture 48 est formée dans la cheminée et permet à une partie 50 en forme de boucle du ressort 40′ de faire saillie en dehors de la cheminée 5. Le ressort de blocage 40′ est disposé dans la cheminée entre le garnissage 30 et la sortie de la cheminée 5.
Dans le mode de réalisation de la figure 7, le garnissage 30 comporte deux baïonnettes 52 qui sont soudées sur les mailles des éléments 32 et 34. La cheminée 5 est pourvue de deux évidements 54 en forme de L qui sont destinés à recevoir les baïonnettes 52 verrouillant ainsi le garnissage 30 en place.
Un deuxième mode de réalisation du garnissage 30 est représenté sur la figure 8. Ce garnissage diffère de celui des figures 5 à 7 en ce que le deuxième élément est formé d'une structure grillagée à laquelle on a préalablement donné une section ondulée ou sensiblement sinusoïdale.
Dans les modes de réalisation des figures 5 à 8, il est envisagé que la longueur axiale du garnissage 30 soit entre 10 à 40 % de la longueur axiale de la cheminée 5.
Le garnissage décrit ci-dessus présente les avantages suivants :
Le premier élément 32 du garnissage 30, destiné à être utilisé dans un dispositif ayant les dimensions données ci-dessus, est de préférence formé de mailles carrées ayant un côté de 10 mm réalisées à partir d'un fil de diamètre 0,25 à 0,5 mm. Dans le cas où le premier élément 32 a une section en dent de scie, la longueur de chaque pan est 14,14 mm et l'angle entre deux pans voisins est 90°. Dans le mode de réalisation de la figure 8, la longueur d'onde des ondulations est 20 mm et l'amplitude est 10 mm.