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CA 02475684 2004-08-10
WO 03/070648 PCT/FR03/00462
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Procédé d'ozonation d'une phase liquide contenant des
particules solides.
L'invention concerne un procédé d'ozonation d'une phase liquide
contenant des particules solides. Elle concerne plus particulièrement un
procédé
d'ozonation de pâtes à papier.
L'ozone est de plus en plus utilisé dans le traitement des pâtes à papier
aussi bien vierges que provenant de vieux papiers à recycler.
En effet, des étapes d'ozonation sont introduites dans les procédés de
fabrication de pâtes à papier vierges, en particulier pour le blanchiment de
ces
pâtes à papier.
Des étapes d'ozonation sont également mises en oeuvre dans les
procédés de traitement de vieux papiers en vue de leur recyclage, pour leur
blanchiment, leur défluorescence, leur désencrage, et l'élimination des micro-
organismes et des enzymes amenés par les vieux papiers.
Les pâtes à papier aussi bien vierges que de papiers à recycler sont
assimilables à une phase liquide contenant des particules solides, les
particules
solides étant le papier désintégré.
On connaît un procédé d'ozonation de pâte à papier dans lequel la pâte à
papier est ozonée alors qu'elle a une concentration en solides comprise entre
environ 25 à 40 % en poids par rapport au poids total de la pâte.
Dans ce procédé, on utilise des tours, dans lesquelles tombe la pâte, ou
des systèmes du type à vis sans fin. II est nécessaire, dans ce procédé, de
concentrer au préalable la pâte sur des filtres-presses pour obtenir la bonne
concentration, ce qui peut fragiliser les fibres papetières. Au surplus, ces
filtres
presses sont coûteux.
De plus, en raison de la grande réactivité de l'ozone, des risques de
traitements hétérogènes existent à ces fortes concentrations en solides.
On connaît également un procédé d'ozonation d'une pâte à papier dans
lequel on utilise une pâte à papier ayant une concentration en solides
d'environ 8
3o à 12 % en poids par rapport au poids total de la pâte.
Dans ce procédé, on utilise des mélangeurs connus dans la profession de
la papeterie sous le nom de "mixer dynamique" qui sont en pratique des pompes
centrifuges. La réaction se fait ici sous pression et le temps de séjour est
d'environ quelques secondes. La fibre papetière est là aussi soumise à des
contraintes mécaniques importantes qui peuvent la détériorer.
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De plus, la réaction se faisant sous pression, il est nécessaire dans ce
procédé de comprimer l'ozone. Les compresseurs sont coûteux à l'achat et
nécessitent un entretien important.
L'ozone est également utilisé dans de nombreux autres domaines de
l'industrie pour ozoner les solides contenus dans une phase liquide. Les mêmes
problèmes se rencontrent alors.
L'invention vise à pallier les inconvénients des procédés d'ozonation de
l'art antérieur en proposant un procédé d'ozonation d'une pâte assimilable à
une
phase liquide contenant des particules solides qui permet de limiter les
contraintes mécaniques exercées sur la pâte, d'obtenir une ozonation homogène
de la pâte et de réduire et même supprimer l'étape de compression de l'ozone.
A cet effet, l'invention propose un procédé d'ozonation d'une phase
liquide contenant des particules solides par mise en contact avec de l'ozone
gazeux, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre dans un contacteur tubulaire
biphasique du type gaz-liquide fonctionnant à co-courant de liquide et de gaz
et
en ce qu'on introduit la phase liquide contenant des particules solides dans
le
contacteur à une concentration en solides comprise entre 0,5 et 5 % en poids
par rapport au poids total de la phase liquide contenant des particules
solides.
De préférence, on introduit la phase liquide contenant des particules
2o solides dans le contacteur à une concentration en solides comprise entre
0,5 et
3 % en poids par rapport au poids total de la phase liquide contenant des
particules solides.
Avantageusement, l'ozone est introduit dans le contacteur sous la forme
d'un mélange gazeux air-ozone ou oxygène-ozone.
De préférence, l'ozone est introduit dans le contacteur sous la forme d'un
mélange gazeux contenant entre 50 et 200 g d'ozone par m3 de mélange gazeux.
Dans tous les cas, l'ozone ou le mélange gazeux est de préférence
introduit dans le contacteur à une vitesse supérieure à 0,5 m/s et inférieure
ou
égale à 10 m/s.
3o Dans un mode de mise en oeuvre préféré, le contacteur est mis en oeuvre
en régime à vagues.
Dans un autre mode de mise en oeuvre préféré, le contacteur est mis en
oeuvre en régime à bouchons.
Ainsi, de préférence, l'ozone ou le mélange gazeux est introduit dans le
contacteur à une vitesse comprise entre 0,5 et 2 m/s et la phase liquide
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contenant des particules solides est introduite dans le contacteur à une
vitesse
comprise entre 0,5 et 2 m/s.
Dans un mode de mise en oeuvre particulièrement préféré, le contacteur
tubulaire est un contacteur tubulaire horizontal en acier inoxydable ayant un
diamètre intérieur et une longueur permettant compte tenu du débit de pâte
d'obtenir les vitesses d'introduction de la phase liquide et de l'ozone ou du
mélange gazeux comprises entre 0,5 et 2 m/s.
Le procédé de l'invention est particulièrement approprié lorsque la phase
liquide contenant des particules solides est une pâte à papier.
1o L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques et
avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la
description
explicative qui va suivre faite en référence aux figures annexées dans
lesquelles
- la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un contacteur
tubulaire biphasique du type gaz-liquide fonctionnant en régime ségrégé,
- la figure 2 représente schématiquement une vue en coupe d'un contacteur
tubulaire biphasique du type gaz-liquide fonctionnant en régime à vagues,
- la figure 3 représente schématiquement une vue en coupe d'un contacteur
tubulaire biphasique du type gaz-liquide fonctionnant en régime à bouchons, et
- la figure 4 représente schématiquement une vue en coupe d'un contacteur
2o tubulaire biphasique du type gaz-liquide fonctionnant en régime à bulles
dispersées.
La grande réactivité de l'ozone lui permet de réagir rapidement sur
l'essentiel des grandes fonctions de la chimie organique, et en particulier
sur tous
les groupes insaturés benzéniques ou phénoliques souvent présents, notamment
dans les vieux papiers.
De plus, l'ozone détruit les micro-organismes tels que les bactéries, les
champignons, les levures, ainsi que les enzymes comme l'enzyme catalase
souvent présents, notamment dans les vieux papiers.
L'ozone trouve donc une application particulière lors de la fabrication des
3o pâtes à papier que celles ci soient vierges ou de vieux papiers à recycler.
Ainsi, l'ozone peut être utilisé dans de nombreux procédés de fabrication
de pâtes à papier pour blanchir les pâtes, éliminer les colorants, les
azurants
optiques, les colles et les encres, ainsi que pour assainir les circuits des
installations dans lesquels on met en oeuvre les procédés de fabrication.
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A l'heure actuelle cependant, les procédés d'ozonation, en particulier des
pâtes à papier, que celles ci soient vierges ou provenant de vieux papiers, se
déroulent à une concentration en solides comprise entre 8 et 40 g de solides
pour 100 g de pâte.
Les pâtes à papier étant assimilables à un milieu liquide, en général un
milieu aqueux, dans lequel des particules solides, en particulier de fibres de
bois,
sont en suspension, lors de la réaction d'ozonation, on est alors dans le cas
d'un
mélange que l'on peut assimiler à un mélange biphasique : une phase gaz et une
phase liquide contenant des particules solides. La réaction chimique
d'ozonation
1o des solides étant rapide, il est nécessaire d'avoir une vitesse de
dissolution du
gaz très rapide dans ladite phase liquide contenant des particules solides
pour
que l'ozone réagisse rapidement avec l'ensemble des particules solides et que
la
réaction ne soit pas limitée par la vitesse de dissolution de l'ozone.
Lorsque l'on travaille à pression atmosphérique selon l'art antérieur, la
forte concentration en solides de la pâte et la grande réactivité de l'ozone
font
que des risques de traitements hétérogènes existent. Un autre procédé de l'art
antérieur propose alors, pour augmenter la vitesse de dissolution de l'ozone
dans
la phase liquide-solide, de conduire la réaction d'ozonation sous pression, ce
qui
nécessite de comprimer l'ozone.
2o Ceci fait que la fibre papetière est soumise à des contraintes mécaniques
importantes qui peuvent la détériorer; en outre, on doit pour comprimer
l'ozone
utiliser des compresseurs coûteux, à l'achat et à l'entretien.
On a maintenant découvert que tous ces inconvénients étaient surmontés
lorsqu'on mettait en oeuvre le procédé d'ozonation sur des liquides contenant
des
particules solides comme des pâtes à papier, mais ayant une faible
concentration
en solides, c'est-à-dire des pâtes à papier de basses ou très basses
consistances.
Dans ce qui précède et dans ce qui suit, les termes "pâte à papier de
basse consistance" désignent une pâte à papier et par extension un mélange
liquide-solides, dont la concentration en particules solides est comprise
entre 0,5
et 5 % en poids par rapport au poids total du mélange liquide/solides. En fait
la
limite supérieure de concentration de la pâte se déterminera par le passage de
la
pâte d'un comportement newtonien à un comportement non newtonien; cette
valeur dépend du type de bois.
Dans ce qui précède et dans ce qui suit, les termes "pâte à papier de très
basse consistance" désignent une pâte à papier et par extension un mélange
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liquide-solides dont la concentration en particules solides est d'environ 1 %
en
poids par rapport au poids total du mélange liquide-solides.
En effet, pour des phases liquides ayant de telles concentrations en
solides, il est possible d'utiliser des contacteurs tubulaires biphasiques gaz-
liquide
5 permettant d'obtenir des valeurs très élevées de la vitesse de dissolution
du gaz
dans la phase liquide contenant des particules solides.
Le procédé d'ozonation de l'invention est donc caractérisé en ce qu'il est
mis en oeuvre dans un contacteur tubulaire biphasique du type gaz-liquide et
en
ce qu'on introduit la phase liquide contenant des particules solides à basse
ou
très basse consistance.
Le contacteur tubulaire pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention
peut être un contacteur tubulaire horizontal ou vertical, ou de toute
inclinaison
intermédiaire, fonctionnant à co-courant de la phase liquide contenant des
particules solides.
i5 Le gaz peut être introduit par un simple tuyau ou par un système plus
sophistiqué, par exemple un mélangeur statique.
La vitesse de dissolution de l'ozone dans la phase liquide contenant des
particules solides est fonction des coefFcients de transfert de masse gaz-
liquide,
le but est ici d'obtenir une bonne émulsion gaz-pâte.
2o Selon les vitesses d'introduction respectives du gaz et de la pâte, le
réacteur fonctionnera en régime ségrégé, en régime à vagues, en régime à
bouchons ou en régime à bulles dispersées.
La figure 1 représente une coupe schématique d'un contacteur tubulaire T
horizontal fonctionnant en régime ségrégé dans lequel la phase gazeuse est
25 notée 1 et la phase liquide contenant des particules solides est notée 3.
Dans la
figure 1, l'aire interfaciale est représentée par la surface de contact entre
la
phase gazeuse 1 et la phase liquide 3.
Cette surface de contact 2, lorsque le contacteur tubulaire est en régime
ségrégé, comme représenté en figure 1, est assimilable à une surface plane.
3o Dans ce cas, l'aire interFaciale correspondant à la surface de contact 2
est
moins importante que dans les cas représentés aux figures 2 à 4 qui seront
discutés ci-après. Pour cette raison, la vitesse de dissolution de l'ozone est
moins
favorable.
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Un tel régime ségrégé est obtenu lorsque les vitesses respectives
d'introduction de la phase gazeuse et de la phase liquide sont inférieures à
0,5 m/s.
La surface de contact entre la phase gazeuse et la phase liquide
contenant des particules solides est améliorée lorsque, le contacteur T
fonctionne
en régimes à vagues, comme représenté en figure 2.
Comme on le voit en figure 2, la surface de contact notée 2' entre la
phase gazeuse 1 et la phase liquide contenant des particules solides 3, forme
des
vagues. La surface de contact est augmentée dans ce domaine. La dissolution du
1o gaz se fait donc plus rapidement dans ce cas que dans le cas représenté en
figure 1, c'est-à-dire en régime ségrégé.
La vitesse de dissolution de l'ozone, et donc de la réaction de l'ozone avec
les solides contenus dans la phase liquide est encore améliorée lorsque, comme
représenté en figure 3, le contacteur tubulaire T fonctionne en régime à
bouchons. Comme on le voit en figure 3, lorsque le contacteur tubulaire T
fonctionne en régime à bouchons, la phase liquide 3 est animée d'un mouvement
qui lui fait toucher les deux parois horizontales internes du contacteur.
La phase gazeuse 1 a donc une surface de contact notée 2" élevée avec
la phase liquide 3 lorsque le contacteur fonctionne en un tel régime à
bouchons.
2o Le contacteur T fonctionne en régime à vagues ou en régime à bouchons
lorsque les vitesses respectives d'introduction de la phase gazeuse et de la
phase
liquide contenant des particules solides sont comprises entre 1 et 2 m/s.
Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque le contacteur est en régime
d'écoulement à bulles dispersées, comme montré en figure 4. Dans ce cas, la
phase liquide 3 forme des bulles qui sont dispersées dans la phase gazeuse 1
et
la surface de contact 2"' entre la phase gazeuse 1 et la phase liquide
contenant
des particules solides 3 est très élevée.
Un tel régime à bulles dispersées est obtenu pour des vitesses
d'introduction respectives du gaz et de la phase liquide contenant des
particules
3o solides supérieures à 2 m/s et pouvant aller jusqu'à 10 m/s.
Cependant, pour obtenir un tel fonctionnement en régime à bulles
dispersées, il est nécessaire d'utiliser des pressions de gaz très élevées et
cela
n'est pas préférable dans le procédé de l'invention, car il faut à nouveau
utiliser
un compresseur de gaz avec les coûts d'achat et d'entretien associés. De plus,
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l'inconvénient lié aux contraintes mécaniques exercées sur la phase liquide,
et en
particulier sur la fibre papetière, se retrouve ici.
Donc, pour les raisons exposées ci-dessus, et bien que le procédé
d'ozonation de l'invention puisse être mise en oeuvre dans le contacteur T
fonctionnant en régime ségrégé, en régime à vagues, en régime à bouchons ou
en régime à bulles dispersées, il sera de préférence mis en oeuvre en régime à
vagues ou en régime à bouchons, c'est-à-dire avec des vitesses d'introduction
du
gaz comprises entre 0,5 et 2 m/s et des vitesses d'introduction de la phase
liquide contenant des particules solides comprises entre 0,5 et 2 m/s.
Les vitesses d'introduction citées ci-dessus et dans ce qui suit sont les
vitesses obtenues lorsque le contacteur T est vide. Autrement dit, on
calculera le
débit d'introduction du gaz en fonction de la section interne du contacteur
utilisé
de manière à obtenir une vitesse d'introduction de gaz comprise entre 0,5 et
2 m/s lorsque le contacteur ne contient pas de phase liquide contenant des
i5 particules solides.
De la même façon, la vitesse d'introduction de la phase liquide contenant
des particules solides sera calculée en fonction de son débit d'introduction
dans
le contacteur vide et en fonction de la section interne du contacteur.
Pour appliquer une vitesse adéquate d'introduction du gaz, il est
avantageux d'utiliser un mélange gazeux contenant de l'ozone et un gaz porteur
tel que par exemple l'air ou l'oxygène à des concentrations élevées d'ozone.
L'ozone est très réactif, et les quantités d'ozone nécessaire sont en
général faibles; à titre d'exemple, dans le cas des pâtes à papier, elles sont
inférieures à 20 leg/t de pâtes.
Ainsi, on a déterminé qu'un mélange gazeux ozone-air contenant entre 50
et 200 g d'ozone par m3 de mélange gazeux est tout à fait approprié.
Afin de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant à
titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de mise en
oeuvre.
EXEMPLE
On utilise un contacteur tubulaire horizontal en acier inoxydable ayant un
diamètre interne de 4,5 cm et une longueur de 100 m. Le contacteur est
alimenté avec une pâte à papier vierge ayant une consistance de 2,5 %.
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Le débit de la pâte à papier est calculé de manière à obtenir des vitesses
de pâte (dans le contacteur vide) comprises entre 1 et 2 m/s.
Les mêmes vitesses sont utilisées pour le mélange gazeux constitué par
un mélange d'air et d'ozone ayant une teneur en ozone de 100 g/m3 de mélange.
Dans ces conditions, les pertes de charge sont de 2 à 3 bars.
La capacité de transfert de l'ozone est alors de 1,5 à 3 kg/t de pâte pour
un temps de séjour de l'ordre de une minute.
Les pertes de charge de 2 à 3 bars sont suffisamment basses pour être
compatibles avec les systèmes de compression d'ozone existants, et même sans
compresseur, si l'ozoneur accepte une légère surpression. L'installation est
donc
peu coûteuse et d'un emploi facile.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de mise en
oeuvre décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple.
Ainsi, bien que l'invention ait été décrite en référence à une pâte à papier
vierge, le procédé de l'invention pourra s'appliquer à l'ozonation de toutes
autres
phases assimilables à une phase liquide contenant des particules solides et en
particulier des papiers à recycler, dès lors que la teneur en solide n'excède
pas
5% en poids par rapport au poids total de la pâte.
De même, bien que dans ce qui précède le contacteur tubulaire ait été
décrit comme étant en acier inoxydable, il pourra être en tout autre matériau
compatible avec l'ozone humide.
De la même faon, bien que dans ce qui précède le contacteur tubulaire
ait été décrit comme ayant un diamètre interne de 4,5 cm et une longueur de
100 m, ses dimensions pourront être différentes, l'essentiel étant que ses
dimensions permettent à la pâte de séjourner dans le contacteur le temps
nécessaire pour l'accomplissement de la réaction d'ozonation, compte-tenu du
débit d'alimentation de la pâte dans le contacteur.
Par ailleurs, bien que le mélange gazeux soit généralement un mélange
air-ozone ou oxygène-ozone, tout autre gaz ou mélange de gaz ne réagissant
3o pas avec l'ozone pourra être utilisé comme gaz porteur
C'est dire que l'invention comprend tous les équivalents techniques des
moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont effectuées
suivant
son esprit.
