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.