CH365056A - Appareil de dispersion d'un gaz dans un liquide - Google Patents

Appareil de dispersion d'un gaz dans un liquide

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Description


  Appareil de dispersion d'un gaz dans un liquide    La présente invention a pour objet un appareil  de dispersion d'un gaz dans un liquide. Cet appareil  peut être utilisé principalement pour l'aération des  eaux d'égout, mais peut également être     utilisé    dans  de nombreux procédés, comprenant l'aération et/ou  la gazéification de liquides utilisés dans les industries  chimiques, dans divers procédés de fermentation, et  dans des procédés de     floitation    des     minerais.    L'ap  pareil est particulièrement avantageux pour l'aération  des eaux d'égout dans les installations industrielles  de traitement des déchets, lorsque les eaux d'égout  peuvent     contenir    des matières susceptibles de colma  ter les diffuseurs à bulles fines.

    



  L'absorption des gaz dans les liquides dépend  dans une     grande    mesure de la     surface    de contact.  Plus la dimension des bulles est faible, plus grande  est la surface par unité de volume et meilleure est       l'absorption    des gaz. Par exemple, le traitement des  eaux d'égout en boue activée nécessite l'emploi de  grandes quantités d'air. Pour une opération ration  nelle, cet air doit être réparti dans l'eau d'égout sous  forme de petites bulles de gaz, de préférence de gran  deur non supérieure à environ 5 mm de diamètre.  



  Jusqu'ici, on a habituellement disposé des pla  ques ou tubes de matière poreuse ou cellulaire au  fond ou près du fond des bacs dans     lesquels    on en  voie le gaz. Bien que de nombreux types de maté  riaux aient été utilisés dans la fabrication des diffu  seurs, peu de ces matériaux se sont montrés utilisa  bles pratiquement à l'échelle industrielle. Pour s'ef  forcer d'améliorer l'efficacité de l'absorption du gaz,  on a développé des diffuseurs aptes à réduire la di  mension des bulles diffusées dans le liquide, tels que  des tubes en matière plastique perforée, des tubes de  caoutchouc perforés au moyen d'aiguilles, des tubes  de métal     perforé    avec ou sans enroulement de corde  ou cordon, etc.

      Une difficulté de la dispersion du gaz réside dans  le     colmatage    des pores des     diffuseurs    à petites bulles.  Les particules     solides    sont entraînées dans les pores  et sont encastrées dans ceux-ci trop étroitement pour  pouvoir être chassés par des opérations de soufflage  ou de lavage normales au moyen du courant gazeux  ou par le retour de la liqueur lorsque l'arrivée     d'air     est interrompue. En outre, des composés du fer et du  calcium tendent à se déposer en couches externes sur  les     diffuseurs    et à entraver la dispersion du gaz.  



  En raison des difficultés opératoires apparues  dans les tentatives d'introduire des bulles de gaz re  lativement petites dans le     milieu    liquide, on a dû       parfois    se résoudre à diffuser des bulles     grandes    ou  grossières, en dépit de     l'efficacité    médiocre atteinte.    Lorsque de grandes bulles sont introduites dans  un liquide, par exemple dans le fond d'un bac d'aé  ration classique, les bulles montent. Dans leur mou  vement ascendant, les bulles     grandes    sont partielle  ment scindées en bulles plus petites. Bien que les  petites bulles puissent subir une certaine désintégra  tion, une grande proportion de celles-ci reste intacte.

    Le gaz injecté au moyen d'un     diffuseur        grossier    ou à  grandes bulles forme dans l'eau, ou dans les liquides  de densité voisine de celle de l'eau, des bulles de  grosseur     atteignant    30 mm de diamètre ou davantage.

    Une diminution appréciable de la     grosseur    des bulles  de gaz qui sont formées dans le fond de     réservoir     ouvert se produit durant les premiers 1,5 à 3 m de  trajet dans le     liquide.    Au moment où les bulles s'ap  prochent de la surface libre du     liquide    des bacs ou  verts, les bulles ascendantes produites par la désin  tégration des bulles plus grandes n'ont en général pas  une dimension réduite à     une    grosseur comparable à  celle des bulles dispersées dans le     liquide    au moyen  des diffuseurs à bulles fines.

        La présente     invention    vise à remédier à ces in  convénients et à produire des bulles fines par des  moyens qui sont moins sujets aux difficultés mention  nées ci-dessus que les dispositifs     formeurs    de bulles  fines antérieurs.  



  Dans une     étude    effectuée en relation avec l'inven  tion, en     utilisant    une colonne comportant un diffu  seur à grandes bulles au voisinage de son fond, on a  constaté que lorsque de l'air est libéré au fond d'un       tube    étroit et à fond fermé, l'écoulement à     contre-          courant    de la colonne d'air et d'eau ascendante et de  l'eau s'écoulant vers le bas pour remplacer l'eau en  traînée vers le haut dans le mélange eau-air, produit  des conditions qui ont pour effet de diviser les gran  des bulles de gaz en bulles ayant une grosseur non  supérieure à 5 mm de diamètre,

   ce dont il résulte  une dispersion finale comparable à celle réalisée au  moyen des diffuseurs à bulles fines dans les bacs  ouverts.  



  Sans vouloir se     limiter    par une théorie particu  lière, on admet que la     désintégration    des bulles est  due à un cisaillement hydraulique dû à la turbu  lence produite par les courants se déplaçant en sens       inverse.    Cette interaction de courants, qui effectue  un cisaillement hydraulique des bulles de gaz, per  met l'introduction de bulles de gaz de dimensions  très diverses dans le fond de la colonne.  



  L'appareil faisant l'objet de l'invention est carac  térisé par une chambre ouverte par le haut et destinée  à être entièrement immergée dans le     liquide,    un dis  positif d'injection de gaz placé dans la chambre au  voisinage de son fond et un conduit de     transport    du  gaz     jusqu'audit    dispositif, ladite chambre ayant une  hauteur au moins égale à la longueur du plus petit  axe de sa section transversale horizontale de manière  que, la chambre étant entièrement immergée dans le  liquide, les bulles de gaz     sortant    de la chambre soient  plus petites qu'à leur sortie dudit dispositif.  



  Cet appareil est utilisable pour la mise en     oeuvre     d'un procédé de mise en contact d'un gaz avec un  liquide qui est décrit dans le brevet No 365055.  



  Le dispositif d'injection de gaz peut     introduire     le gaz sous forme de bulles de grosseurs très diverses  et peut consister en     tuyaux        ouverts,    en tubes de cé  ramique, en     ajutages    d'éjection de gaz, en diffuseurs,  en tubes perforés avec ou sans enroulement de cor  don ou en dispositifs équivalents. Le gaz est envoyé  dans le dispositif     d'injection    sous une pression suf  fisante pour surmonter la pression hydrostatique dans  le tube étroit mais non suffisante pour empêcher le  mélange turbulent du gaz et du liquide.

   Il convient  que le débit de gaz injecté soit tel que le gaz ne  puisse jamais chasser la     totalité    ou presque la tota  lité du liquide hors de l'appareil de dispersion de  gaz.  



  Dans une forme d'exécution simple, la chambre  est sous forme d'un tube, de préférence de section  transversale régulière, pourvu d'un fond fermé à  l'exception possible de petits trous de vidange. Le  tube a de préférence une section     transversale    d'une    forme empêchant la formation d'un tourbillon, par  exemple rectangulaire ou carrée.  



  Des appareils de ce     type    peuvent par exemple  être placés le long d'un côté d'un bac d'aération  classique. Le mélange gaz-liquide quittant le som  met de la chambre tubulaire monte dans le     liquide     du bac et provoque une circulation du type en spirale  qui est usuel dans un bac d'aération complet.  



  La hauteur de la chambre qui est nécessaire pour  enfermer initialement le courant ascendant de mé  lange     gaz-liquide    dépend entre autres conditions de  la section transversale horizontale de la chambre, de  la densité et de la viscosité du liquide, et éventuelle  ment de la concentration de la matière en suspension.  Il convient que le mélange     gaz-liquide    soit enfermé  dans une chambre tubulaire dont la section transver  sale horizontale a une     surface    au moins suffisante  pour permettre un écoulement à contre-courant du  liquide et du mélange liquide-gaz.

   La section trans  versale ne devrait pas être grande au point de per  mettre à l'intérieur de l'organe tubulaire une circu  lation     dépourvue    de l'action de cisaillement hydrau  lique nécessaire. Il convient que la hauteur de l'en  ceinte tubulaire à     partir    des moyens d'injection de  gaz assure un temps de séjour suffisant pour per  mettre la désintégration des bulles par action de ci  saillement hydraulique. Par exemple, on a constaté  qu'avec une colonne à section carrée de 15 à  23 cm de côté, des hauteurs de 30 à 60 cm sont pré  férables.

   Dans le cas de l'aération d'eau dans une  colonne de section carrée de 18 cm de côté et de  45 cm de hauteur, et dont la sortie est submergée  sous une hauteur d'environ 3 m d'eau, plus de 95 %  du gaz     sortant    d'un tuyau ouvert au fond de la co  lonne se disperse sous forme de bulles de moins de  5 mm de diamètre avant que le gaz sorte du liquide.  



  La condition primordiale est que la quantité de  gaz injectée dans la chambre ne déplace pas une  quantité d'eau telle que l'action de cisaillement hy  draulique soit supprimée.  



  Le dessin représente, à titre d'exemple, trois for  mes d'exécution de l'appareil faisant l'objet de l'in  vention.  



  La     fig.    1 est une coupe verticale de la première  forme d'exécution.  



  La     fig.    2 est une coupe verticale de la deuxième  forme d'exécution ; et  la     fig.    3 est une vue en perspective avec arra  chage partiel de la troisième forme d'exécution.  



  On voit à la     fig.    1 un grand bac 10 semblable à  ceux utilisés pour le traitement des déchets et pour  la production de boue activée. Le bac 10 peut être en  métal ou en béton. Une chambre 11 de dispersion  de gaz, à section transversale carrée, est montée dans  le bac 10 au voisinage de l'un de ses côtés. La cham  bre 11 a un fond 14 pourvu d'un ou de plusieurs  petits trous 15 de vidange, et un dispositif d'injec  tion de gaz 16 est monté dans la chambre de disper  sion 11. Ce dispositif est alimenté en air par un  tuyau 17 raccordé à une source de gaz sous pression.      Le tuyau 17 consiste en deux sections raccordées par  un coude. La section supérieure est reliée à pivote  ment à la source d'air par un raccord et peut se dé  placer dans un plan vertical.

   Le coude raccordant la  section supérieure à la section inférieure forme un  pivot permettant à la section inférieure de se dépla  cer également dans un plan vertical. La section in  férieure     supporte    ladite chambre de dispersion de  gaz 11 à l'aide de brides 18 et se termine au disposi  tif d'injection de gaz placé dans la chambre de dis  persion de gaz. Le tuyau 17 et la chambre 11 sont  reliés à des moyens de mise en mouvement des sec  tions de tuyau, permettant d'étendre les sections pour  la     mise    en place de l'appareil de dispersion d'air pro  fondément dans le bac 10, et de les replier pour re  tirer l'appareil de dispersion d'air de sa position im  mergée.

   L'air est fourni- au dispositif d'injection de  gaz sous pression pour surmonter la pression hydro  statique, de préférence sous une pression     manomé-          trique    de 0,21 à 1,41     kg/cm2.    On peut voir que la  hauteur de la chambre 11 est notablement supérieure  à sa largeur. Il en résulte que, les autres facteurs im  portants, notamment le débit de l'air, étant convena  blement choisis, la grosseur des bulles diminue forte  ment entre leur point de sortie du dispositif 16 et  leur point de sortie de la chambre 11.  



  On voit à la     fig.    2 une coupe     agrandie    d'une  chambre de dispersion de gaz rectangulaire 20 en  métal. Cette chambre est divisée en     compartiments     22 de section transversale rectangulaire, dont le petit  côté est plus     court    que la hauteur de la chambre 20.  Cette dernière a un fond 23 pourvu de trous de vi  dange 24. Ces trous peuvent être fermés par des  bouchons appropriés. Un dispositif d'injection de gaz  21, consistant en un tuyau ouvert supporté en place  par des consoles, est monté dans chacun des com  partiments 22.

   Les dispositifs d'injection de gaz 21  sont raccordés à un tuyau à gaz 25 dont les     points     d'entrée sont rendus étanches par des joints appro  priés ou au moyen d'un ajustage coulissant dans la  paroi, de façon à supprimer essentiellement la péné  tration d'eau dans la chambre par le fond.  



  La     fig.    3 représente un autre appareil de disper  sion de gaz, comprenant deux chambres 30 tubu  laires rectangulaires avec un fond 31. Un     diffuseur     32 du type à tête, avec enroulement de cordon, est  suspendu à un collecteur 33. Le collecteur 33 est  raccordé à un tuyau 34 qui est du type articulé dé  crit en référence à la     fig.    1, pour permettre le pivo  tement de l'appareil hors d'un bac. Le tuyau 34 sup  porte les chambres tubulaires 30 au moyen de sup  ports 35.  



  Les appareils décrits ci-dessus peuvent être utili  sés pour le traitement des eaux d'égout. Lorsqu'elles  atteignent une installation de traitement, les eaux  d'égout contiennent de la matière     flottante    et suspen  due. Dans une installation moderne de traitement des  eaux d'égout, les eaux peuvent traverser une chambre  à gravier et un broyeur, puis un bac de dépôt pri  maire.    L'effluent primaire ou eau d'égout brute peut être       soumis    à un traitement d'aération dans l'un des ap  pareils décrits ci-dessus et représentés au dessin, en  lieu et place d'un appareil du type habituel. L'ef  fluent primaire ou eau d'égout brute est mélangé  avec de la boue activée recyclée et introduit dans  le bac d'aération.

   La teneur en matières solides du  mélange varie considérablement mais est en général  de 600 à 4000 parties par million. L'air peut être  fourni par des compresseurs volumétriques ou cen  trifuges.  



  L'air est introduit près du fond de chacun des  appareils de dispersion de gaz     alignés    le long d'un  côté du bac, en nombre permettant     généralement     d'introduire entre 70 et     7001/min    par 30 cm de lon  gueur du bac. Le sommet des appareils de dispersion  de gaz est placé par exemple à une distance de 3,05  à 4,58 m en dessous de la surface du liquide dans un  bac rempli sur une profondeur de 4,58 m.

   Un tuyau  ouvert ou tout autre type d'injecteur à bulles gros  sières introduit le gaz dans la chambre de dispersion  de gaz sous forme de bulles d'un diamètre variant de  5 à 30 mm de diamètre     environ.    Dans le     traitement     d'un effluent primaire, ce mélange est retenu dans le  bac d'aération pendant le temps usuel dans la pra  tique, qui dépend de la concentration des eaux  d'égout. Ce type d'appareil peut être utilisé dans des  bacs à gravier aérés, des bacs d'aération et autres  appareils de .traitement des déchets.  



  Les appareils décrits ci-dessus sont également ap  plicables à des traitements tels que la digestion anaé  robie ou la digestion accélérée des boues. Dans ces  procédés on     utilise    des gaz comprimés, y compris  les gaz produits au cours du processus de digestion,  pour favoriser la croissance des organismes qui dé  composent les boues, et également pour provoquer  un mouvement dans la matière en cours de digestion.  



  La digestion anaérobie des boues peut être appli  quée aux eaux d'égout brutes, aux boues primaires  ou aux mélanges de boues primaires et de boues  activées produites par aération d'eaux d'égout. Dans  ces digestions anaérobies un gaz, par exemple un  gaz contenant du méthane, est     introduit    au moyen  d'un     appareil    de dispersion de gaz placé de préfé  rence au voisinage du fond et du centre du bac de  traitement des boues. Une meilleure dispersion du  gaz, comme décrit ci-dessus, améliore la digestion  anaérobie.  



  Les appareils décrits ci-dessus sont utiles dans  le domaine du traitement des eaux d'égout et des dé  chets, en addition au procédé par boue activée, pour  des applications telles que les bassins d'oxydation,  l'aération en courant, les chambres à gravier aérées,  les digesteurs, les bacs de     préaération,    les bacs de       réaération,    etc.

Claims (1)

  1. REVENDICATION Appareil de dispersion d'un gaz dans un liquide, caractérisé par une chambre ouverte par le haut et destinée à être entièrement immergée dans le liquide, un dispositif d'injection de gaz placé dans la cham bre au voisinage de son fond et un conduit de trans port du gaz jusqu'audit dispositif, ladite chambre ayant une hauteur au moins égale à la longueur du plus petit axe de sa section transversale horizontale, de manière que, la chambre étant entièrement im mergée dans le liquide,
    les bulles de gaz sortant de la chambre soient plus petites qu'à leur sortie dudit dispositif. SOUS-REVENDICATIONS 1. Appareil selon la revendication, caractérisé en ce que la chambre est de section transversale rectan gulaire ou carrée. 2. Appareil selon la revendication, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de gaz est agencé de façon à injecter le gaz sous forme de bulles ayant un diamètre de 5 à 30 mm. 3. Appareil selon la revendication, caractérisé en ce que la chambre est divisée en compartiments mu nis chacun d'un dispositif d'injection de gaz. 4. Appareil selon la revendication, caractérisé en ce que la chambre est portée par le conduit, et en ce que ce dernier est articulé par son extrémité supé rieure à des moyens de montage. 5.
    Appareil selon la sous-revendication 4, carac térisé en ce que le conduit comprend un tuyau pré sentant deux sections pivotées l'une sur l'autre pour le mouvement dans un plan vertical, l'extrémité libre de la section supérieure étant pivotée à un raccord relié à une source de gaz, l'appareil comprenant des moyens pour déplacer les sections de tuyau entre une position d'extension dans laquelle la chambre est entièrement immergée dans le liquide, et une po sition repliée dans laquelle la chambre est au-dessus du liquide. 6. Appareil selon les sous-revendications 1 et 5.
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