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CA 02561426 2006-09-27
WO 2005/099880 PCT/FR2005/050184
DISPOSITIF D'INJECTION D'UN GAZ DANS UN LIQUIDE
La présente invention concerne un dispositif d'injection d'un gaz dans
un liquide.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans
le domaine du traitement biologique des effluents industriels.
Le gaz injecté dans le liquide peut ëtre soit un gaz oxygéné avec une
proportion d'oxygène variant de 20 à 100%, soit du gaz carbonique, soit un
gaz ozoné, soit un biogaz. Le liquide dans lequel doit ëtre injecté le gaz est
disposé dans des réacteurs utilisés notamment pour les traitements
biologiques des effluents industriels et dont la hauteur varie généralement de
2 à 10 mètres de profondeur.
Dans ce qui suit le terme « réacteur » signifie « bassin » naturel
(lagune, étang, lac...) ainsi que « réservoir » à parois plus ou moins proches
et à ciel ouvert ou fermé.
Les réacteurs dans lesquels les systèmes d'injection de gaz permettent
d'injecter des gaz contiennent généralement des boues activées. Ces
réacteurs peuvent donc ëtre soit des bassins naturels, soit des réacteurs à
ciel ouvert et à parois proches, soit des réacteurs fermés, sous pression ou
non.
Dans le domaine du traitement biologique des eaux, on connait
différents types de dispositifs en fonction de l'injection du gaz soit en
surface,
soit au fond du bassin. Par exemple il existe des turbines de surface, des
brosses permettant de transférer de l'air dans le liquide en créant une
agitation. De tels dispositifs ne sont utilisables que pour de faibles
hauteurs
d'eau et ont des capacitës d'oxygénation limitées.
Ainsi, le brevet européen n° 0 583 509 décrit un système
caractérisé
principalement par une hélice située dans un arbre creux et entrainant, lors
de
sa rotation et par effet de vortex à partir de la surface du liquide, du gaz
et du
liquide se trouvant sous un couvercle immergé. Le mélange gaz-liquide ainsi
formé est propulsé vers le bas. Les bulles de gaz ne s'étant pas dissoutes
remontent dans un rayon d'action correspondant globalement à celui du
couvercle où elles sont récupérées pour ëtre à nouveau réinjectées. L'apport
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de gaz d'appoint et la purge, ainsi que le niveau optimal du liquide dans le
couvercle, sont régulés par la pression régnant sous le couvercle.
Bien que les rendements de transfert annoncés soient très bons, les
limites de ce système sont principalement
s - la zone d'action limitée à un rayon proche de celui du couvercle et à une
profondeur d'eau relativement faible,
- l'enrichissement de la phase gazeuse en CO~, N2 et autres gaz issus de
l'activité biologique, dans le cas des applications en boues activées, et la
nécessité de réaliser des purges provoquant des pertes d'02,
1o - la complexitê de la régulation de pression sous le couvercle,
- l'utilisation d'un gaz à pression élevée : nécessité d'utiliser un
surpresseur à
la suite d'un VSA ou MPSA. (unité de production sur site par adsorption sous
pression ou avec régénération sous vide).
On tonnait également de la demande de brevet européen n° 0 995 485
1s au nom de la demanderesse un dispositif d'agitation d'un liquide dans un
réacteur et d'injection d'un gaz dans ce liquide, comprenant un moteur
d'entrainement disposé au-dessus du réacteur et pourvu d'un arbre de sortie
vertical. Une extrémité de cet arbre de sortie est équipée d'un mobile à flux
axial, tel qu'une hélice. L'arbre de sortie du moteur d'entrainement porte
2o également, au-dessus du mobile à flux axial, une turbine auto-aspirante
immergée dans le réacteur et pouvant âtre entrainée par l'arbre de sortie en
méme temps que le mobile à flux axial.
L'arbre de sortie est enveloppé coaxialement par un cylindre lié à son
extrémité supérieure au dispositif d'entrainement et dont l'extrémité
inférieure
2s débouche dans la turbine. Dans l'extrémité supérieure du cylindre est
percée
une ouverture d'injection d'un gaz dans un intervalle annulaire délimité par
l'arbre et le cylindre. La rotation de la turbine provoque l'aspiration du gaz
au
travers du cylindre creux enveloppant l'arbre de sortie du dispositif
d'entrainement. La turbine permet également l'aspiration du liquide par un
so espace annulaire placé entre la turbine et le cylindre, ce qui crée, avec
le gaz,
une dispersion gaz-liquide. Cette turbine propulse radialement la dispersion
gaz-liquide.
Ce dispositif connu comporte en outre des moyens pour diriger vers
l'hélice la dispersion gaz-liquide expulsée radialement par la turbine. Ces
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moyens comprennent essentiellement un caisson annulaire formant
déflecteur, enveloppant la turbine et profilé afin de diriger vers l'hélice le
flux
issu radialement de la turbine, et un ensemble de plaques sensiblement
verticales formant contre-pales, disposées radialement et fixées au
déflecteur.
s Le déflecteur qui enveloppe la turbine rabat la dispersion gaz-liquide vers
l'hélice qui propulse des bulles de gaz vers le fond, et crée un débit de
pompage liquide permettant l'agitation du bassin . Les contre-pales permettent
de diriger les difFérents flux liquides et gazeux afin de maximiser les
performances en terme de transfert et d'agitation _
1o Bien qu'il permette de transférer efficacement un gaz dans un liquide et
d'obtenir une agitation assurant la mise et le maintien en suspension de
particules, le dispositif qui vient d'étre décrit en référence à la demande de
brevet européen n° 0 995 485 présente cependant les inconvénients
suivants
1s - une capacité d'oxygénation faible. La capacité d'aspiration du gaz est en
efFet limitée par le phénomène d'engorgement de l'ensemble caisson
déflecteur/turbine. L'engorgement est principalement dû au déflecteur qui ne
permet pas l'évacuation satisfaisante du mélange diphasique au-delà d'un
certain ratio gaz/liquide,
20 - un fonctionnement instable puisqu' afin d'utiliser au mieux le
dispositif, celui-
ci fonctionne à un débit proche de l'engorgement. Des sécurités coûteuses
doivent étre ajoutées pour détecter le franchissement inopportun de
l'engorgement et réamorcer le dispositif,
- un coût de fabrication élevé.
25 Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente
invention est de proposer un dispositif d'injection d'un gaz dans un liquide,
comprenant une turbine auto-aspirante apte à produire une dispersion gaz-
liquide, un mobile à flux axial de reprise de lad ite dispersion, et des
moyens
pour diriger la dispersion gaz-liquide vers ledit mobile à flux axial, qui
3o permettrait d'offrir à moindre coût une meilleure capacité d'oxygénation
ainsi
qu'un phénomène d'engorgement limité.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente
invention, en ce que lesdits moyens comprennent des moyens de déflection
intégrés à la turbine auto-aspirante.
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Ainsi, la fonction de déflection du dispositif conforme à l'invention est
assurée par la seule turbine. II n'est donc pas nécessaire d'avoir recours à
des organes supplémentaires comme le caisson déflecteur de la demande de
brevet européen n° 0 995 485. II en résulte les avantages suivants
s - une augmentation de la capacité d'aspiration du gaz et donc de la capacité
d'aspiration du dispositif,
- un repoussement de l'engorgement correspondant à l'engorgement propre
de la turbine, amenant une stabilité de fonctionnement dans les gammes de
débit habituelles,
1o - une réduction du coût du dispositif.
Selon l'invention, lesdits moyens de déflection sont constitués par un
élément supérieur, dit élément déflecteur, de la turbine auto-aspirante,
présentant un diamètre supérieur au diamètre d'un élément inférieur de ladite
turbine et un profil apte à défléchir ladite dispersion vers le mobile à flux
axial.
1s On comprend ainsi qu'une particularité de l'invention est de mettre en
oeuvre une turbine qui, contrairement aux turbines habituellement utilisées,
présente des éléments supérieur et inférieur qui ne sont pas parallèles ni de
mé me diamètre.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à
2o titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste
l'invention et comment elle peut étre réalisée.
La figure 1 est une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un
dispositif d'injection de gaz dans un liquide conforme à l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation
2s d'un dispositif d'injection de gaz dans un liquide conforme à l'invention.
La figure 3 est une demi-vue de côté d'un élément supérieur d'une
turbine d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 2.
La figure 4 est une demi-vue de côté d'un élément supérieur d'une
turbine d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif conforme à
3o l'invention.
Le dispositif représenté sur les figures 1 et 2 est destiné à permettre
l'injection d'un gaz dans un liquide L, ce gaz étant de préférence, mais non
exclusivement, oxygéné.
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Ce dispositif comprend un moyen 1 d'entrainement, par exemple un
moteur, disposé au dessus de la surface du liquide L, et pourvu d'un arbre
rotatif 2 de sortie s'étendant verticalement et partiellement immergé dans le
liquide L. L'arbre 2 de sortie est équipé à son extrémité inférieure 3 d'un
s mobile 4 à flux axial, ici une hélice immergée dans le liquide L. L'arbre 2
porte
également, disposée entre l'hélice 4 et la surface du liquide L, une turbine
auto-aspirante 5 qui est par conséquent immergée dans le réacteur et peut
étre entrainée par l'arbre 2 de sortie à la méme vitesse que l'hélice 4.
L'arbre
2 de sortie est enveloppé coaxialement par un cylindre 6 lié à son extrémité
1o supérieure au moyen 1 d'entrainement, avec interposition d'un dispositif
d'étanchéité 7 connu en soi, et dont l'extrémité inférieure 6a débouche dans
la
turbine 5 coaxialement à l'arbre 2.
Dans l'extrémité supérieure du cylindre 6 est percée une ouverture 14
d'injection d'un gaz dans l'intervalle annulaire 15 délimité par l'arbre 2 et
par
1s le cylindre 6. Le système d'injection de gaz dans l'orifice 14 est connu en
soi
et non représenté.
La turbine auto-aspirante 5 est constituée, d'une part, de deux
éléments superposés, à savoir, un élément supérieur 8, 8' et un élément
inférieur 9 en forme de disque, placés horizontalement et, d'autre part, d'un
2o ensemble d'aubes radiales 11 placées entre les éléments supérieur 8, 8' et
inférieur 9 et fixées à ceux-ci. Dans l'élément supérieur 8, 8' est agencé un
trou central 12 délimité par une collerette saillante, dans lequel pénètre
l'extrémité inférieure 6a du cylindre 6, lequel délimite ai nsi avec le bord
dudit
trou 12 un espace annulaire 13.
2s L'arbre 2 de sortie traverse axialement les éléments 8, 8' et 9 en étant
fixé au disque inférieur 9, de sorte que lorsque le moteur 1 d'entrainement
est
actionné, l'arbre 2 entrafne la turbine 5 et l'hélice 4 en rotation à la méme
vitesse. La rotation de la turbine 5 crée l'aspiration du gaz arrivant par
l'orifce
14, par l'intermédiaire du cylindre 6, ainsi que l'aspiration d'une partie du
30 liquide qui s'introduit par l'intervalle annulaire 13 laissé libre entre la
turbine 5
et le cylindre 6. Cette dispersion gaz-liquide se traduit par une population
de
bulles dont la taille est majoritairement comprise entre 100 Nm et 2 mm.
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Le dispositif des figures 1 et 2 comprend également des moyens pour
diriger vers l'hélice 4 la dispersion gaz-liquide expulsée radialement par la
turbine 5 entre ses aubes 11.
Dans les modes de réalisation décrits, ces moyens comprennent des
s moyens de déflection intégrés à la turbine 5 elle-méme puisqu'ils sont
constitués par l'élément supérieur 8, 8', dit élément déflecteur, lequel
présente
un diamètre supérieur au diamètre du disque inférieur 9 et un profil apte à
défléchir la dispersion gaz-liquide vers le mobile 4 à flux axial.
Dans l'exemple de la figure 1, l'élément 8 déflecteur présente un profil
1o conique, en forme de toit. Avantageusement, le profil conique fait un angle
compris entre 30 et 40° avec le plan horizontal.
Dans l'exemple de la figure 2, l'élément déflecteur 8' comporte une
section 8'a en forme de disque horizontal et un rabat annulaire 8'b de forme
tronconique. Dans le cas de la figure 3, le rabat annulaire 8"b présente un
1s profil arrondi, la section centrale 8"a de l'élément déflecteur 8" ayant
comme
sur la figure 2 la forme d'un disque horizontal.
La figure 4 représente un élément déflecteur 8"' de profil bombé, plus
spécialement un profil elliptique.
Les moyens pour diriger vers l'hélice 4 la dispersion de gaz-liquide
2o comprennent également un ensemble de plaques 19 sensiblement verticales,
formant des contre-pales, disposées radialement autour de la turbine 5 et de
l'hélice 4 en nombre approprié à des intervalles angulaires déterminés.
Dans le bord intérieur de chaque contre-pale 19 est ménagée, au
niveau de la turbine 5, une entaille supérieure 21a dans laquelle peut
2s pénétrer l'élëment déflecteur 8, 8', et, au niveau de l'hélice 4, une
entaille
inférieure 21 b dans laquelle peuvent pénétrer les extrémités de s pales de
l'hélice 4.
Les contre-pales 19 s'étendent verticalement à partir d'un niveau
correspondant sensiblement à celui du liquide L, sur une hauteur totale H
so comprise entre 0,7 fois et 12 fois le diamètre d de la turbine 5.
Le dispositif d'injection de gaz dans un liquide qui vient d'étre décrit
fonctionne de la manière suivante.
Une fois le moyen 1 d'entraïnement mis en marche, l'arbre 2 de sortie
entraïne en rotation à la mëme vitesse la turbine auto-aspirante 5 et l'hélice
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terminale 4. Le gaz est injecté ou aspiré par l'ouverture 14 dans l'intervalle
annulaire 15 d'où il est aspiré vers la turbine 5, de méme qu'une partie du
liquide L dans l'intervalle annulaire 13 entre l'élément supérieur 8, 8' et le
cylindre 6 (comme indiqué par la flèche sur la figure 1 ). Au moins
90°fo de la
s dispersion de bulles est reprise grâce à la présence des contre-pales 19 et
de
l'élément déflecteur 8, 8' qui dirige le flux vers l'hélice 4, comme indiqué
par
les deux flèches latérales sur les figures 1 et 2. L'hélice 4, constitué d'au
moins deux pales 4a, propulse la dispersion des bulles à une vitesse
comprise entre par exemple 1 et 5 m/seconde vers le fond du bassin. Le
1o dimensionnement et les conditions opératoires appliquées peuvent permettre
de propulser les bulles jusqu'à 10 mètres de profondeur tout en conservant
une vitesse horizontale au radier suffisante (c'est-à-dire supérieure à 0,1
mls)
pour empécher ou prévenir la formation de zones de dép6ts ou de particules
solides en fond de bassin.
1s Les bulles projetées en fond de bassin remontent ensuite en périphérie
de l'ensemble (4, 5) autour de l'axe central 2. Le temps de parcours des
bulles
de gaz dans le liquide est suffisant pour assurer le transfert de l'oxygène de
la
phase gaz (si le gaz injecté est oxygéné) vers la phase liquide. L'oxygène
peut ainsi étre utilisé pour des besoins de respiration de la biomasse ou
2o d'oxydation de certains composés.
Le débit de pompage induit par la présence de l'hélice 4 de reprise et
des contre-pales 19 permet d'assurer le brassage du volume liquide dans un
rayon qui dépend de la puissance dissipée par l'hélice 4 (puissance comprise
entre 40 et 90% de la puissance appliquée à l'arbre moteur 2). Ce brassage
2s permet la mise en suspension des boues et/ou des particules solides afin
d'assurer l'hornogénéisation de la concentration en boues et/ou en particules
dans l'ensemble des volumes brassés par l'hélice 4.
Lorsque le gaz injecté par l'orifice 14 est oxygéné, le dispositif décrit ci
dessus permet de réaliser des traitements biologiques des efFluents
3o industriels ou urbains, en transférant l'oxygène dans la boue activée et en
agitant la biomasse afin d'homogénéiser la concentration en boues. L'élément
déflecteur 8, 8' qui enveloppe la turbine 5 rabat la dispersion gaz-liquide
vers
l'hélice 4 qui propulse les bulles de gaz vers le fond du réacteur, et crée un
débit de pompage liquide permettant l'agitation du réacteur. Les contre-pales
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19 permettent de diriger les différents flux liquides et gazeux afin de
maximiser les performances en terme de transfert et d'agitation.
s
