Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCEDE ET DISPOSITIF DE DISPERSION DE GAZ DANS UN LIQUIDE
L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de dispersion de gaz
dans
un courant descendant de liquide.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de
dispersion à jet gaz liquide hydride mélangeur et injecteur à jet. Le procédé
a pour
objectif de disperser de façon homogène le gaz sous forme de fines bulles dans
un
liquide moteur pour la mise en contact gaz liquide ou en vue de mise en
contact
ultérieur avec la masse de liquide dans un contacteur environnant dans lequel
le
dispositif est implanté. Le dispositif est composé d'une tête d'injection
comportant
une chambre de mélange à jet liquide en partie haute et d'un tube coaxial
vertical à
jet diphasique en partie inférieure, formant tuyère. Ladite dispersion
homogène gaz
liquide est produite pour une rétention gazeuse comprise entre 5 et 70 %, de
préférence entre 30 et 50 %.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif
d'injection
d'ozone ou d'un mélange d'ozone et d'oxygène et/ou d'air dans un courant
d'eau,
pour le purifier.
La performance de la dispersion de gaz peut s'exprimer d'une part en fonction
de
la taille des bulles de gaz produites et d'autre part en fonction d'un rapport
volumique gaz/liquide du mélange diphasique gaz-liquide résultant de la
dispersion, rapport relié à la rétention gazeuse définie comme le rapport du
volume
de la phase gazeuse rapportée au volume total du contacteur égal à la somme
des
volumes de gaz et de liquide qu'il contient ou comme le rapport du débit
volumique
de la phase gazeuse rapporté à la somme des débits volumiques de gaz et de
liquide. Les procédés et dispositifs d'injection de l'état de la technique
permettent
d'obtenir une dispersion homogène de gaz sous forme, de bulles sous une
consommation d'énergie acceptable pour un rapport volumique gaz/liquide
relativement faible, ne dépassant pas 0,5 en général.
Les contacteurs diphasiques gaz liquide correspondent à de nombreuses
applications industrielles, telles que des oxydations et hydrogénations en
phase
liquide ou des absorptions d'un gaz par un liquide avec ou non réaction
chimique.
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Les appareils de mise en contact des phases gazeuse et liquide sont conçus
pour
répondre de la façon la plus efficace possible à l'exigence d'assurer le
transfert
des quantités de matière requises, au meilleur coût, en incluant en outre des
notions liées au fonctionnement telles que flexibilité vis-à-vis des quantités
de
matière à mettre en jeu, sécurité et stabilité de fonctionnement, rapidité
d'exécution
des étapes de démarrage et de mise en régime, durée potentielle de
fonctionnement (corrosion, maintenance,....).
Dans tous les cas, la quantité de matière échangée au sein d'un appareillage
diphasique, notée N, peut être évaluée par:
N = Coefficient de transfert de matière x Aire interfaciale d'échange x
Potentiel
d'échange
Ainsi les contacteurs gaz liquide sont conçus pour offrir la surface d'échange
la
plus importante compatible avec des conditions hydrodynamiques relatives aux
débits circulants des fluides et des propriétés physico-chimiques de ces
derniers. Il
est de plus primordial que la perte de charge côté gaz soit aussi modérée que
possible afin d'éviter des dépenses énergétiques rédhibitoires ou des
conditions de
pression incompatibles avec les conditions d'application.
Les contacteurs dans lesquels le gaz est dispersé sous forme de bulles dans un
liquide couvrent les technologies colonne à bulles, cuve agitée mécaniquement,
colonne à plateaux perforés, contacteur tubulaire à co-courant tel que
mélangeur
statique, éjecteur à jet immergé et éjecteur venturi à liquide moteur (M.
Roustan,
Transferts gaz-liquide dans les procédés de traitement des eaux et des
effluents
gazeux, Editions Lavoisier 2003; Pierre Trambouze, Réacteurs chimiques ¨
Technologie, J4020, Editions Techniques de l'Ingénieur, 1993). Ces différents
contacteurs sont caractérisés par des niveaux de rétention liquide et d'aire
interfaciale variables. Parmi ceux-ci les contacteurs tubulaires fonctionnant
à co-
courant de gaz et de liquide offrent les avantages d'admettre une gamme de
fonctionnement plus large à la fois en rétention de phase dispersée gazeuse
(définie comme le rapport du volume de la phase gazeuse rapportée au volume
total du contacteur égal à la somme des volumes de gaz et de liquide qu'il
contient
ou comme le rapport du débit volumique de la phase gazeuse rapporté à la somme
des débits volumiques de gaz et de liquide) et de générer une très importante
aire
interfaciale. Leur principal inconvénient réside dans la perte de charge
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occasionnée pour produire la dispersion du gaz, laquelle limite alors soit la
rétention de la phase gazeuse dispersée à 30 % au mieux dans le cas des
systèmes à mélangeur statique, éjecteur à jet immergé et éjecteur venturi à
liquide
moteur, soit la hauteur d'immersion à moins de quelques mètres au maximum pour
les éjecteurs à jet immergé fonctionnant avec des rétentions gazeuses
supérieures
à 50 % car une installation d'injection de gaz à plus forte profondeur peut
présenter
l'inconvénient majeur de nécessiter une source de gaz sous pression, par
exemple
un compresseur et ses tuyauteries associées.
WO 2012025214 présente un dispositif et un procédé d'absorption d'ozone en
contacteur tubulaire pour le traitement de liquides selon lequel l'injection
de gaz
ozoné a lieu dans le flux de liquide circulant au moyen d'au moins deux
mélangeurs statiques espacés de zones de contact.
WO 2013082132 porte sur un procédé et sur un appareil pour injecter un gaz
dans
un liquide, dans lequel une hélice hélicoïdale rotative située à l'intérieur
d'un tube
d'aspiration immergé dans le liquide crée un écoulement descendant de liquide
à
l'intérieur du tube d'aspiration alimenté par du gaz au travers de buselures
disposées soit au-dessus soit au-dessous soit le long de l'hélice hélicoïdale.
Le
liquide est aspiré dans le tube d'aspiration à une vitesse superficielle
supérieure à
une vitesse d'ascension terminale des bulles de gaz, de façon à permettre
l'entraînement des bulles de gaz non dissoutes dans la masse du liquide à
l'intérieur du liquide qui est aspiré dans le tube d'aspiration. Un rendement
de
transfert de 90 % est obtenu dans le contacteur pour une rétention gazeuse de
5 % dans le tube de moins d'un mètre de longueur.
EP 0 086 019 concerne un contacteur hybride en deux étages combinant colonne
à pluie et colonne à bulles pour la dissolution d'un gaz dans un liquide de
préférence pour l'ozonation de l'eau selon lequel l'injection de gaz est
réalisée
grâce à un tube immergé. Selon ce procédé, une fraction du flux de liquide
sert à
injecter le gaz sous forme de bulles à l'aide d'un tube immergé qui introduit
le
mélange diphasique dans un courant vertical descendant du flux principal de
liquide alimenté par ruissellement dans la partie annulaire extérieure
supérieure du
contacteur. Ce dispositif met ainsi en jeu un espace libre de ruissellement de
volume significatif qui favorise le dégazage de sorte que le rendement de
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dissolution du gaz s'en trouve diminué. La rétention gazeuse dans le tube
d'injection est indiquée égale à 13 % au maximum.
FR 2 762 232 décrit également un procédé et un dispositif pour la mise en
contact
de l'ozone dans des liquides, notamment de l'eau, selon lequel un mélange
diphasique du flux partiel du liquide à traiter et d'un gaz chargé d'ozone
sous
pression est réalisé dans un tube vertical à co-courant descendant de gaz et
de
liquide contenant éventuellement des dispositifs de cisaillement des bulles,
le tout
constituant une partie d'un contacteur d'absorption de l'ozone dans le liquide
en
forme de tube en U tel que décrit dans FR 2 545 732. La dispersion du gaz sous
forme de bulles est obtenue dans le tube descendant sous l'effet de la vitesse
liquide d'environ 1,5 m/s. La hauteur du contacteur est comprise entre 20 et
35 m.
Ce type de contacteur implique de fonctionner avec une rétention gazeuse
inférieure à 20 % pour maîtriser le mélange diphasique eau et gaz (Degrémont,
Mémento Technique de l'eau, Editions Lavoisier, 2005).
US6001247 expose encore un contacteur composé d'un compartiment de diffusion
équipé d'un tube vertical immergé à co-courant descendant de gaz ozoné et
d'eau
pour introduire uniformément le gaz. L'intérieur du tube contient des éléments
poreux coaxiaux pour distribuer le gaz ozoné sous forme de bulles dans l'eau
qui y
circule.
FR 2 776 942 détaille aussi un dispositif de dispersion d'un gaz dans un
liquide par
jet immergé. Le dispositif de dispersion, est constitué d'une buse émettrice
unique
d'un jet de liquide vertical dirigé vers le bas, d'un tube coaxial au jet, et
d'une
plaque d'impact localisé près de l'extrémité inférieure du tube. Le niveau de
la
dispersion est maintenu au plus près de la sortie de la buse grâce au maintien
du
niveau dans le contacteur environnant. Le jet produit par la buse aspire le
gaz
admis latéralement à la buse et le véhicule dans le tube simultanément avec de
la
dispersion qui pénètre de l'extérieur vers l'intérieur du tube grâce à des
trous
immergés. L'ensemble est dispersé dans la masse du contacteur environnant par
impact sur la plaque. Aucune bulle n'atteint le volume situe en dessous de la
plaque d'où est prélevé le liquide qui alimente la buse grâce à une pompe.
Comme
on le comprend aisément ce dispositif à buse émettrice unique est approprié à
la
dispersion du gaz dans un contacteur de volume réduit, typiquement moins d'un
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mètre cube comme présenté. Ce dispositif est de plus difficile à construire à
grande échelle de par la fragilité apportée à la structure par les orifices de
recirculation à réaliser dans le tube descendant. Enfin la limite haute de
vitesse à
l'éjection donnée à 12 m/s est inacceptable vis-à-vis de l'abrasion des
matériaux
5 pour la construction du tube descendant.
Le procédé selon l'invention a pour but, surtout, d'éviter les nombreux
inconvénients des contacteurs tubulaires fonctionnant à co-courant de gaz et
de
liquide capables de produire une aire interfaciale importante et décrits dans
l'état
lo de l'art antérieur. Les principaux inconvénients sont rappelés ci-après
:
- La perte de charge importante occasionnée pour produire la dispersion du
gaz,
- La limitation de fonctionnement de ces contacteurs à des rétentions de la
phase gazeuse dispersée à 30 % ou à des rapports volumiques gaz/liquide de
0,5 au mieux dans le cas des systèmes à mélangeur statique, éjecteur à jet
immergé et éjecteur venturi à liquide moteur en application à taille
industrielle,
- La limitation de la hauteur d'immersion à moins de quelques mètres au
maximum pour les éjecteurs à jet immergé fonctionnant avec des rétentions
gazeuses supérieures à 50 % correspondant à des rapports volumiques
gaz/liquide supérieurs à 1 alors que la pression statique est bénéfique au
transfert de matière gaz liquide,
- La limitation de conception des jets immergés à des volumes et des
hauteurs
de contacteur réduits sous l'effet de probables difficultés d'ingénierie pour
l'extrapolation des systèmes à plus grande échelle,
- L'utilisation d'éléments de construction tels qu'éléments de mélangeurs
statiques, éléments hélicoïdaux, buses d'éjection de liquide sensibles au
colmatage par des dépôts et nécessitant une maintenance accrue,
- Des conditions de fonctionnement en vitesse liquide supérieure à 10 m/s
inacceptables vis-à-vis de la durée de vie des équipements,
- La faible flexibilité des systèmes vis-à-vis de la variation des
conditions de
fonctionnement.
L'invention a aussi pour but de permettre d'obtenir un mélange diphasique avec
un
rapport volumique gaz/liquide supérieur à 0,3, sans toutefois consommer trop
d'énergie et sans mettre en jeu des pressions de liquide élevées, de l'ordre
de
4 bars. Il est souhaitable en outre que le procédé et le dispositif de
dispersion
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soient simples à mettre en uvre, et que leur maintenance ne soit pas rendue
difficile par la présence de particules dans le liquide.
Selon l'invention, le procédé de dispersion de gaz dans un courant descendant
de
liquide, est caractérisé en ce que :
- le liquide est distribué selon au moins un jet dirigé vers le bas, de
préférence
selon une pluralité de jets,
- le gaz est distribué radialement vers le ou les jets de liquide pour être
entraîné
par le liquide,
- et le mélange liquide gaz est canalisé dans un tube vertical d'écoulement
descendant.
Avantageusement, le gaz est distribué sous une pression inférieure à 2 bars,
de
préférence inférieure à 1,5 bar.
La vitesse des jets de liquide peut être comprise entre 4 et 10 m/s, de
préférence
entre 6 et 8 m/s.
La section transversale du tube vertical est au moins égale à la surface
totale
d'émission des jets de liquide, et au plus égale à 2 fois cette même surface,
ladite
section transversale étant de préférence comprise entre 1,2 et 1,5 fois la
surface
totale d'émission des jets.
Avantageusement, le liquide est dirigé au-dessus d'une plaque horizontale
comportant une pluralité d'orifices à l'intérieur d'une zone, pour s'écouler
vers le
bas selon une pluralité de jets,
- le gaz est distribué radialement vers l'intérieur de ladite zone
d'orifices pour le
liquide,
- le mélange liquide gaz est canalisé selon une section décroissante
jusqu'à
rejoindre le tube vertical d'écoulement descendant.
De préférence, le mélange liquide gaz est canalisé dans le tube vertical
descendant pendant au moins 0,2 seconde.
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Le gaz injecté peut être choisi parmi l'air, l'oxygène, l'ozone, le dioxyde de
carbone, ces gaz étant injectés seuls ou en mélanges.
De préférence, le liquide est aqueux incluant les eaux naturelles douces ou
salines, les eaux usées et plus généralement les effluents aqueux, les eaux de
procédé dans l'industrie y compris dans le secteur de production d'eau de
consommation.
L'invention est également relative à un dispositif de dispersion de gaz dans
un
liquide, en particulier pour la mise en uvre d'un procédé tel que défini
précédemment, comportant un conduit d'arrivée du liquide à traiter,
caractérisé en
ce qu'il comporte :
- en partie haute, une tête d'injection reliée au conduit d'arrivée et
comportant une
chambre de mélange à jet liquide,
- et en partie inférieure un tube vertical, de préférence coaxial, à
écoulement
diphasique.
La tête d'injection comprend un compartiment avec, en partie inférieure, une
plaque horizontale de distribution pour le liquide percée d'au moins un
orifice, et
une chambre annulaire prévue sous la plaque à sa périphérie et comportant au
moins une ouverture de distribution du gaz suivant une direction radiale
centripète,
- la chambre de mélange, située au-dessous de la plaque, étant sous forme d'un
convergent de raccordement au tube vertical descendant.
Avantageusement, le diamètre des orifices de la plaque est suffisant, en
particulier
au moins égal à 10 mm, pour éviter un colmatage dû à des particules contenues
dans le liquide, en particulier des eaux usées.
Le dispositif peut comporter une entrée radiale du gaz dans la chambre
annulaire
distributrice, à partir d'une conduite de gaz se prolongeant au-delà de
l'entrée
radiale pour une mise possible à l'atmosphère.
Une telle mise à l'atmosphère est particulièrement avantageuse, notamment car
elle améliore la sécurité au cours du fonctionnement d'un tel dispositif, en
particulier lors d'une séquence d'arrêt du dispositif. Lors d'une telle
séquence
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d'arrêt, on commence typiquement par évacuer le gaz contenu dans le dispositif
en
le remplaçant par de l'air extérieur, par l'intermédiaire du prolongement, ou
tuyau
d'évent, de ladite conduite de gaz. Typiquement, on ouvre progressivement une
vanne d'évent de manière à introduire de l'air extérieur au sein de la chambre
de
mélange par ce tuyau d'évent, puis on ferme une vanne d'entrée de gaz de
manière à interrompre l'arrivée de gaz dans la chambre de mélange par ladite
conduite de gaz. La mise à l'atmosphère permet ainsi d'éviter tout phénomène
d'implosion du dispositif. Cela est notamment très avantageux dans les cas où
le
gaz introduit dans la chambre de mélange par la conduite de gaz est dangereux,
lo typiquement de l'ozone.
En outre, une telle mise à l'atmosphère permet de respecter de telles
contraintes
sécuritaires notamment lorsque le dispositif réalise une injection de gaz dans
un
niveau d'eau situé à une altitude relativement basse par rapport à l'altitude
de la
tête d'injection, c'est-à-dire lorsque ledit tube vertical descendant a une
longueur
relativement importante avant sa submersion, par exemple 10 mètres.
La mise à l'atmosphère permet aussi d'améliorer la souplesse du dispositif
lors
d'une séquence de démarrage au cours de laquelle un liquide est injecté dans
la
chambre de mélange par ledit conduit d'arrivée du liquide à traiter.
Typiquement,
lors d'une telle séquence de démarrage, on ouvre la vanne d'évent, permettant
à
une partie au moins du gaz présent dans la chambre de mélange d'être évacuée.
La mise à l'atmosphère permet aussi à l'arrivée de gaz d'être fermée jusqu'à
ce
que le régime hydraulique souhaité soit obtenu. On ouvre alors l'arrivée de
gaz et
on ferme la vanne d'évent.
La section transversale du tube vertical est au moins égale à la surface
totale des
orifices de la plaque, et au plus égale à 2 fois cette même surface, et est de
préférence comprise entre 1,2 et 1,5 fois la surface totale des orifices de la
plaque.
La longueur du tube descendant peut être comprise entre 1 et 30 mètres, et est
de
préférence comprise entre 1 et 15 mètres.
Le convergent de la chambre de mélange peut être tronconique, l'angle
d'inclinaison des génératrices du tronc de cône relativement à l'axe étant
compris
entre 150 et 45 .
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Le système d'injection objet de l'invention est un système de dispersion à jet
gaz
liquide hydride mélangeur et injecteur à jet. Ledit système est composé d'une
tête
d'injection comportant une chambre de mélange à jet liquide en partie haute et
d'un tube coaxial vertical à jet diphasique en partie inférieure, formant
tuyère. Il a
pour fonction de disperser de façon homogène le gaz sous forme de fines bulles
dans le liquide moteur en tant que contacteur gaz liquide ou en vue du contact
ultérieur avec la masse de liquide dans un contacteur environnant. Ladite
dispersion gaz liquide est produite pour une rétention gazeuse comprise entre
5 et
70 %, de préférence entre 30 et 50 %.
La tête d'injection est conçue de manière à opérer un pré-mélange du liquide
et du
gaz en amont de la tuyère, le mélange étant rendu homogène le long de la
descente dans la tuyère.
Le gaz et le liquide peuvent être ceux impliqués dans toute opération
nécessitant
la formation d'une dispersion gaz liquide.
De préférence, le gaz injecté sera choisi parmi l'air, l'oxygène, l'ozone, le
dioxyde
de carbone, ces gaz étant injectés seuls ou en mélanges.
De préférence, le liquide sera aqueux incluant les eaux naturelles douces ou
salines, les eaux usées et plus généralement les effluents aqueux, les eaux de
procédé industriel dans l'industrie y compris dans le secteur de production
d'eau
de consommation.
Selon un mode préférentiel de réalisation, la tête d'injection est alimentée
par le
liquide refoulé par un système de pompage et le gaz issu du système de
distribution est à une pression égale ou supérieure à la pression
atmosphérique.
La tête d'injection réalise un pré-mélange du liquide et du gaz sous l'effet
de un à
plusieurs jets turbulents de liquide émis dans le courant de gaz admis
radialement.
Les jets de liquide sont produits grâce à un organe de distribution du liquide
sous
forme de jets à forte vitesse, typiquement entre 4 et 10 m/s, de préférence
entre 6
et 8 m/s.
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L'organe de distribution est de préférence une plaque de distribution à
orifices.
Une chambre de mélange située au-dessous de l'organe de distribution a pour
forme de section supérieure la forme de la section de la plaque de
distribution. La
chambre de mélange est de forme tulipe ou tronconique convergente ou
5 cylindrique ou parallélépipédique.
La turbulence des jets est démontrée par des nombres de Reynolds supérieurs à
105. L'émission des jets liquides produit une vitesse de frottement
interfaciale dans
le gaz qui peut ainsi atteindre plus de 0,3 m/s soit une vitesse supérieure à
la
10 vitesse terminale de bulles de gaz de l'ordre de 3 mm. Un diagramme
d'écoulement liquide montre les lignes de débit liquide et met en évidence les
zones de recirculation de liquide à l'intérieur de la chambre de mélange
également
remplie de gaz. Les jets liquides à forte vitesse cisaillent ainsi le gaz et
aspirent les
poches de gaz produites vers le tube descendant. De plus, les jets liquides
initient
le transfert de matière gaz liquide. Considérant un temps de contact moyen des
jets liquides de 0,15 s, le coefficient de transfert est de l'ordre de 1.10-4
m/s selon
la nature du gaz. Le potentiel d'échange est égal à la concentration
d'équilibre
entre le gaz et le liquide. Par exemple, dans le cas du dioxyde de carbone
comme
gaz à disperser dans l'eau et des jets de distribution liquide à la vitesse de
10 m/s
sur une surface totale 0,3 m2 et de 1 m de hauteur, la quantité de dioxyde de
carbone transférée s'élève à 0,3 kg/s.
La chambre de mélange est suivie en partie aval d'un tube coaxial de
préférence
cylindrique. La section du tube est au minimum égale à la surface totale
d'émission
des jets liquides dans la chambre de mélange et au maximum égale à 2 fois
cette
même surface. Le rapport de ces surfaces est de préférence compris entre 1,2
et
1,5.
Il est connu de l'état de l'art antérieur que l'écoulement en conduite
verticale peut
prendre plusieurs formes selon les conditions de fonctionnement et les
dimensions
de la conduite. La transition entre les différents régimes opère selon le
rapport des
débits gaz et liquide :
- L'écoulement à bulles apparaît pour de faibles valeurs du rapport des
débits
gaz et liquide. Il est caractérisé par une phase liquide continue fortement
turbulente avec une dispersion homogène de bulles de gaz de taille
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relativement uniforme,
- Pour des rapports des débits gaz et liquide plus élevés, les régimes
intermittents à bulles et à poches et agités se mettent en place en place,
- Les régimes à film et annulaire apparaissent pour des rapports volumiques
de
gaz et de liquide très élevés.
La carte d'écoulement en conduite verticale dépend, par ordre d'importance :
des
vitesses superficielles de gaz et de liquide, du diamètre de la conduite et
des
propriétés des fluides.
Dans le cas présent, le dispositif de dispersion selon l'invention rend le
mélange
diphasique homogène au cours de l'écoulement à co-courant descendant dans le
tube coaxial au distributeur de liquide, comme il a été constaté pour une
rétention
de gaz de 40 /0.
La longueur du tube descendant peut atteindre 30 mètres afin de promouvoir le
transfert de matière à l'intérieur du tube et éventuellement dans le
contacteur
environnant dont la hauteur correspond à la hauteur utile du système de
dispersion. La hauteur est de préférence comprise entre 1 et 25 m. Une
rétention
gazeuse dans le volume diphasique égale à 50 % correspond à l'empilement
compact des inclusions de gaz dans le liquide. Dès lors, l'atteinte d'une
taille de
bulles homogène dans le tube descendant nécessite de cisailler encore le
volume
de gaz aspiré sous l'effet de la turbulence du mélange alors que la fréquence
de
coalescence des bulles est d'autant plus importante que la rétention gazeuse y
est
élevée. La turbulence du mélange est démontrée par des niveaux de nombre de
Reynolds du mélange diphasique supérieurs à 104. Cette turbulence est
maintenue
en appliquant une vitesse relative de liquide égale à la vitesse de liquide
des jets
de distribution dans la chambre de mélange pour la meilleure continuité
d'écoulement, soit typiquement entre 4 et 10 m/s. Cette vitesse a tendance à
diminuer légèrement au cours de la descente sous l'effet de la compression du
gaz
sous l'effet de la colonne de liquide et sous l'effet du transfert de matière
qui
s'opère. Le régime s'établit dans le domaine d'écoulement à bulles dès la
partie
supérieure du tube. La qualité du mélange au début du tube descendant
détermine
la pression nécessaire pour le gaz injecté.
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En effet, la pression du mélange gaz liquide est fonction de la pression de
sortie de
la tuyère (principalement fonction de la hauteur d'immersion), des pertes de
charge
et du poids de la colonne de liquide dans le système d'injection (qui peut
être
considérée comme la composante statique). Il s'avère qu'un régime d'écoulement
de type à film de liquide annulaire tel que celui observé dans les premiers
mètres
d'un tube équipé d'une buse et sans pré-mélange du gaz et du liquide
fonctionnant
à rétention gazeuse de 40 % empêche la transmission de pression statique vers
le
bas.
lo La perte de hauteur de liquide se traduit directement par la nécessité
d'augmenter
la pression du gaz à l'injection. Le dispositif selon l'invention permet au
contraire
une transmission régulière de la pression car il procure une bonne qualité de
dispersion dès le début de la descente dans le tube. La taille de bulles
produites
est corrélée à l'énergie dissipée elle-même dépendante des taux de rétention
locaux et des propriétés physico-chimiques des fluides composant la
dispersion.
Une dispersion d'oxygène dans l'eau à 40 % de gaz est caractérisée par des
bulles de diamètre moyen égal à 2,5 mm à l'issue du tube de 10 m de longueur.
Le jet diphasique hautement concentré en gaz dissous produit en sortie de tube
peut alors être dispersé dans un contacteur environnant ou relaxé vers la
sortie du
réacteur selon le temps de contact nécessaire à l'absorption et éventuellement
à la
réaction impliquée dans l'application. Le contacteur environnant peut être
tout
contacteur connu de l'état de l'art antérieur à courant ascendant de gaz.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un
certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question
ci-
après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence au dessin
annexé, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ce dessin :
Fig.1 est une vue schématique de dessus en perspective du dispositif
de dispersion selon l'invention.
Fig.2 est une vue schématique en perspective selon un autre angle de
vue et avec parties coupées du dispositif de Fig.1, et
Fig.3 est une vue en perspective du dessous du dispositif de Fig.1.
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En se reportant au dessin, on peut voir que le dispositif de dispersion D
comprend
deux ensembles : une tête d'injection H et un tube P de dispersion à jet,
formant
tuyère. La tête d'injection H est la structure qui relie les arrivées de
liquide et de
gaz, mélange ces fluides et dirige le mélange résultant dans le tube
descendant P.
La tête d'injection H est reliée au conduit d'arrivée 1 de liquide et comprend
un
compartiment B avec, en partie inférieure, un organe de distribution du
liquide, de
préférence une plaque 2 horizontale de distribution pour le liquide, percée
d'orifices 2a. Le liquide s'écoule verticalement au-dessous de la plaque,
suivant
lo des jets schématisés par des flèches A sur Fig.2.
Une canalisation d'arrivée 4 du gaz à injecter est reliée, par une boîte
radiale 4a, à
une chambre annulaire 5 située sous la plaque 2 dont elle entoure la
périphérie
inférieure. Une paroi E limitant radialement vers l'intérieur la chambre 5
comporte
des buses ou des ouvertures 0 de distribution du gaz suivant des directions
radiales centripètes représentées par des flèches F sur Fig.2.
Une chambre de mélange 3 est située sous la plaque 2. La chambre de mélange 3
est de préférence en forme de tulipe ou tronconique convergente, mais pourrait
être de forme cylindrique ou parallélépipédique.
Dans le cas où la chambre 3 est sous forme d'un convergent tronconique vers le
bas, l'inclinaison des génératrices du convergent par rapport à l'axe
géométrique
est de préférence comprise entre 150 et 45 . La chambre 3 assure le
raccordement
au tube vertical descendant P, de préférence coaxial et cylindrique.
Un système 6 de mise à l'atmosphère pour la phase de démarrage est prévu en
extrémité de la conduite 4 au-delà du raccordement avec la chambre annulaire
5.
Une vanne d'évent, non représentée, est prévue dans le système 6, ainsi qu'une
vanne d'entrée de gaz non représentée.
Le tube P de dispersion à jet est décrit hydrauliquement comme une longueur
droite de conduite verticale.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant.
CA 02939691 2016-08-12
WO 2015/132773 PCT/1B2015/051705
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La séquence de démarrage du dispositif, intégré à un contacteur environnant
non
représenté, permet de mieux comprendre la conception générale du dispositif
dans
son intégralité.
- Quand le dispositif ou système est arrêté, le niveau d'eau à l'intérieur
du tube
immergé P est égal au niveau d'eau à l'extérieur. Au-dessus de ce niveau, la
chambre de mélange 3 et le tube P sont remplis de gaz.
- L'alimentation en liquide est démarrée selon un débit égal au tiers du
débit de
fonctionnement souhaité. Le liquide remplit la canalisation 1 d'alimentation
du
système.
- La plaque de distribution 2 produit des jets de liquide à faible vitesse.
- Le système de mise à l'atmosphère 6 permet de purger le gaz initialement
contenu dans la tête d'injection et les poches de gaz entraînées au démarrage
en amont dans le haut du tube P.
- Lorsque le débit de purge devient nul, la vanne du tuyau d'évent du système
de
mise à l'atmosphère 6 commute progressivement vers l'alimentation en gaz par
la conduite 4 et le système peut entrer en production.
- Le débit de liquide est porté à sa valeur de fonctionnement.
- En régime stationnaire, le mélange de gaz et d'eau formé dans la chambre
3
circule vers le bas du tube.
La séquence d'arrêt du dispositif de dispersion s'articule comme suit :
- La première étape consiste à évacuer le gaz contenu dans le dispositif en
le
remplaçant par de l'air extérieur ou un gaz inerte. Pour cela, la vanne
d'évent
du système 6 est ouverte progressivement sur de l'air extérieur ou un gaz
inerte, après quoi la vanne d'entrée de gaz du système 6 se ferme.
- Le dispositif continue de fonctionner, la totalité du gaz présent est
remplacée.
- Après une courte période correspondant au renouvellement par 5 fois du
volume total du dispositif, le dispositif peut être arrêté dans des conditions
entièrement sécuritaires, en diminuant progressivement le débit d'eau.
Bien que les descriptions qui précèdent concernant le démarrage et l'arrêt du
dispositif mentionnent plusieurs fois la variation progressive des conditions
de
fonctionnement en débit de gaz et de liquide, il faut noter que le dispositif
est
capable de réagir correctement à des changements brusques de conditions,
CA 02939691 2016-08-12
WO 2015/132773 PCT/1B2015/051705
résultant par exemple d'une panne de courant ou de tout autre événement
capable
d'entraîner un arrêt non programmé.
Ce dispositif permet d'assurer un engagement gazeux éminemment variable
5 compris entre 0,01 et 2 (si exprimé en rapport des débits de gaz et de
liquide
volumique), au meilleur coût sous l'effet de la réduction de pression
nécessaire, de
produire une dispersion homogène de gaz dans le liquide propre à assurer le
transfert des quantités de matière requises.
10 Simultanément, il offre comme avantages :
= La sécurité et stabilité de fonctionnement ;
= La rapidité d'exécution des étapes de démarrage et mise en régime ;
= La durée potentielle de fonctionnement (corrosion, maintenance,....).
15 Ce dispositif résout les inconvénients des systèmes décrits dans l'état
de l'art
antérieur et est de plus capable de remplacer tout ou partie des systèmes
d'injection et de diffusion de gaz des contacteurs de type colonnes à bulles,
des
systèmes d'injection de gaz et d'agitation des contacteurs agités. Les
contacteurs
qui en résultent sont beaucoup plus performants tant du point de vue technique
qu'économique.
