CH554191A - Appareil pour la diffusion de gaz dans un liquide. - Google Patents

Description

  
 



   La présente invention concerne un appareil pour la diffusion de gaz dans un liquide, comme par exemple pour régénérer des lacs et des rivières pollués en introduisant sous forme de bulles de l'air ou de l'oxygène dans l'eau polluée.



   L'appareil objet de l'invention comprend un passage avec une pluralité d'ouvertures à travers une partie latérale du passage, un agencement permettant un écoulement de gaz vers les ouvertures de manière à former de petites bulles du gaz à l'endroit des ouvertures et un agencement pour l'établissement d'un écoulement de liquide à travers le passage afin d'arracher par cisaillement les bulles, cet appareil étant caractérisé, selon l'invention, en ce que chaque ouverture est définie par l'extrémité d'un tube respectif parmi plusieurs tubes capillaires qui sont encastrés dans ladite partie latérale du passage et qui recoupent le passage.



   Les avantages de l'invention ressortiront de la description ciaprès, donnée à titre d'exemple et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
 La fig. 1 est une vue en perspective d'un assemblage de diffuseur comportant plusieurs unités ou modules réalisés suivant l'invention.



   La fig. 2 est une vue en coupe partielle à grande échelle suivant la ligne 2-2 de la fig. 1, illustrant le rapport existant entre les assemblages ou barres de dispersion de gaz, une chambre d'alimentation en eau et plusieurs fentes d'évacuation dans l'une des unités de diffuseur.



   La fig. 3 est une vue en élévation latérale à grande échelle suivant la ligne 3-3 de la fig. 2, illustrant des tubes capillaires destinés à former des bulles de gaz le long des côtés opposés d'une fente d'évacuation.



   La fig. 4 est une représentation partielle à grande échelle d'une partie de   l'un    des tubes capillaires de la fig. 3.



   La fig. 5 est une vue en coupe illustrant la construction d'une variante de réalisation de l'assemblage de diffuseur.



   Bien que l'assemblage de diffuseur 10 (fig. 1) puisse être utilisé dans de nombreux environnements différents, cet assemblage de diffuseur est représenté à la fig. 1 au fond 12 d'un lac ou d'une grande masse 14 d'eau polluée. Cette eau polluée manque d'oxygène et ceci s'oppose aux processus normaux de la vie nécessaires pour permettre aux poissons de vivre et pour maintenir des conditions hygiéniques convenables dans le lac 14. En dissolvant de l'oxygène dans l'eau, on accélère les processus naturels de purification de l'eau. Un procédé et un appareil destinés à compléter le processus naturel de purification de l'eau grâce à l'addition d'oxygène à cette eau ont été décrits dans un brevet aux Etats-Unis d'Amérique   N0    3505213 au nom d'Anthony et Fulton.

  Bien que   l'on    envisage que l'assemblage de diffuseur 10 sera avantageusement utilisé pour favoriser l'absorption d'oxygène (ou d'autres gaz, par exemple de l'air) par des masses d'eau, il doit être entendu que l'assemblage de diffuseur peut être utilisé pour   favo    riser l'absorption d'autres gaz par d'autres masses de liquide.



   L'assemblage de diffuseur 10 comprend plusieurs unités ou modules 18 avec des ouvertures ou fentes d'évacuation parallèles 20 à partir desquelles un mélange d'eau et de petites bulles 22 (fig. 2) d'oxygène sont   dispsersées    dans le lac 14 afin de l'oxygéner. Ces petites bulles 22 d'oxygène sont dispersées dans une relativement grande zone du lac 14 et s'élèvent lentement vers la surface de ce dernier. Les bulles doivent être aussi petites qu'il est possible en pratique afin de rendre l'adsorption maximale avant que les bulles atteignent la surface de l'eau. Si une bulle d'oxygène est relativement grande, elle s'élèvera rapidement jusqu'à la surface de l'eau et sera dissipée dans l'atmosphère avant que l'oxygène de la bulle puisse être absorbé dans l'eau.

  Toutefois, si les bulles d'oxygène sont relativement petites, elles s'élèveront lentement vers la surface d'une masse d'eau, de telle sorte qu'on disposera d'une plus longue période pour l'absorption de l'oxygène. En outre, de plus petites bulles présentent de relativement grandes superficies par unité d'oxygène dans les bulles, afin de promouvoir l'absorption de gaz par l'intermédiaire des surfaces des bulles. Alors que les bulles 22   s'élèvent,    l'oxygène dans ces bulles est absorbé par les eaux pauvres en oxygène du lac.



  Etant donné que les bulles 22 d'oxygène s'élèvent lentement et sont relativement petites avec une relativement grande superficie par unité d'oxygène contenue dans les bulles, pratiquement la totalité de l'oxygène est absorbée alors que les petites bulles s'élèvent lentement vers la surface du lac 14. Si les bulles étaient relativement grandes, elles monteraient rapidement vers la surface du lac, de telle sorte qu'on ne disposerait pas d'une période suffisante pour l'absorption de l'oxygène. Ceci pourrait avoir pour résultat une  perte par bouillonnement  ou dissipation de l'oxygène vers l'atmosphère. Bien évidemment, la dissipation de l'oxygène dans l'atmosphère augmente le prix de revient de l'obtention de la teneur en oxygène désirée dans l'eau du lac 14 et on peut également créer des conditions dangereuses pour la sécurité.



   Les modules ou unités 18 sont connectés à une source commune d'oxygène sous pression par une conduite à gaz principale 24 (fig. 1). La conduite à gaz principale 24 est connectée à des barres de dispersion de gaz 28 dans chacune des unités 18, grâce à des conduites d'alimentation 30. En outre, chacune des unités 18 est alimentée en eau sous pression par un tuyau commun 32 auquel les unités de diffuseur 18 sont connectées par une plaque de base 34. Une pompe 33 illustrée schématiquement peut être associée au tuyau 32 et agit de manière à aspirer de l'eau à partir du lac 14 et l'envoyer dans le tuyau 32. Un filtre convenable peut être utilisé pour empêcher les matières solides d'atteindre la pompe ou les barres de dispersion 28.

  Ainsi, lorsque les assemblages de diffuseur 18 sont utilisés pour oxygéner le lac 14, les assemblages de diffuseur sont continuellement alimentés en oxygène gazeux par la conduite à gaz 24 et ils sont continuellement alimentés en eau par le tuyau à eau 32. Bien que la conduite à gaz 24 et le tuyau à eau 32 aient été représentés à la fig. 1 comme reposant sur le fond 12 du lac, ils pourraient être suspendus ou supportés d'une autre façon au-dessus du fond du lac, si on le désire.



   Les modules d'assemblage de diffuseur 18 sont capables de produire des bulles extrêmement fines ou petites qui sont dispersées dans le lac 14. Les bulles 22 sont formées de part et d'autre des fentes 14 définies par les assemblages ou barres de dispersion de gaz 29 (voir les fig. 2 et 3). Ainsi, les petites bulles 22 sont formées en rangées ou séries rectilignes 42 et 44 (fig. 3) qui s'étendent parallèlement entre elles sur toute la longueur des côtés opposés s'étendant longitudinalement 46 et 48 des fentes 20. Ces bulles sont entraînées par l'eau qui s'écoule en un courant continu à partir d'une chambre 49 (fig. 2) et à travers les fentes 20 dans le lac.



  Les bulles sont entraînées avant d'être totalement formées. La chambre à eau 49 est connectée en communication pour le fluide au tuyau à eau 32 par des passages (non représentés) qui s'étendent à travers la plaque de montage 34 (fig. 1).



   L'écoulement de l'eau à partir des fentes 20 entraîne les bulles sur une relativement grande distance dans le lac. Ceci a pour résultat la formation d'un  brouillard de gaz  ou nuage de bulles qui s'étend vers l'extérieur sur une distance importante à partir de l'assemblage de diffuseur 10.



   Les bulles 22 sont formées aux extrémités ouvertes 54 de tubes capillaires 58 qui s'étendent à partir de chambres à gaz 60 vers les côtés 46 et 48 des fentes 20 (voir les fig. 2, 3 et 4). Chacune des chambres à gaz 60 dirigées vers le haut est connectée en communication pour le fluide à la conduite à gaz 24, de telle sorte qu'un courant continu de gaz sous pression s'écoule depuis la conduite 24 à travers les tubes d'alimentation 30 (fig. 1), vers chaque chambre à gaz 60. Le gaz s'écoule à partir des chambres 60 vers les côtés opposés 46 et 48 des fentes 20, par l'intermédiaire de rangées 62 et 64 (fig. 3) de tubes capillaires parallèles 58. Une seule ligne droite ou série de petites bulles de gaz est formée le long de chacun des côtés 46 et 48 de la fente 20 aux extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58.

   Les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58 sont espacées le long des  côtés 46 et 48 de la fente 20 afin de tendre à réduire au minimum le volume d'eau requis pour disperser les bulles de gaz 22 dans le lac 14. Bien qu'une seule ligne ou rangée de tubes capillaires 58 espacés uniformément soit utilisée sur chaque côté de la fente 20 dans l'assemblage de diffuseur illustré, plusieurs lignes ou rangées parallèles de tubes capillaires pourraient être prévues les unes derrière les autres sur chaque côté de la fente 20.



   Les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58 doivent offrir un petit diamètre si   l'on    doit former de petites bulles alors que le gaz s'écoule à partir des extrémités des tubes capillaires.



  Afin de faciliter la formation de petites bulles de gaz et la fabrication de l'assemblage de diffuseur 10, les tubes capillaires 58 sont des tubes en fibres de verre creux possédant des passages internes cylindriques avec un diamètre de 0,0064 à 0,0128 mm. Ces tubes en fibres de verre rectilignes sont relativement faciles à incorporer dans des barres de support 66 en association parallèle entre eux et en association perpendicualire avec l'axe longitudinal de la fente 20. Cette incorporation des tubes capillaires 58 est réalisée en situant simplement les tubes avec l'association désirée et en laissant s'écouler une matière d'obturation étanche appropriée autour des tubes. Lorsque la matière d'étanchéité se solidifie, elle connecte entre eux de façon étanche les tubes capillaires 58 afin de former les barres 66 et d'empêcher un écoulement de fluide autour des tubes.



   Les petites extrémités ouvertes 54 des tubes en fibres de verre 58 permettent la formation de relativement petites bulles, c'est-à-dire des bulles dans une gamme de dimensions inférieures à 0,10 mm de diamètre. En fait, des essais ont révélé que des bulles avec un diamètre dans la gamme de 0,020 à 0,025 mm ont été formées. Etant donné que les tubes capillaires 58 sont relativement petits et espacés étroitement sur toute la longueur de la fente 20, un grand nombre de bulles de petit diamètre peut être formé le long des côtés 46 et 48 de la fente 20. Bien que les ouvertures 54 puissent être formées en perçant des trous dans les organes 56 ou en réalisant ces organes à partir d'un métal fritté poreux, il a été déterminé que les tubes capillaires 58 produisent des bulles à une vitesse et avec une uniformité de dimension qui ne pouvaient être obtenues avec ces autres constructions.



   Afin de favoriser le transfert de petites bulles distinctes 22 à partir des ouvertures 54 des tubes capillaires vers le lac 14, chaque bulle 22 est entraînée à partir d'une ouverture de tube capillaire 54 sur laquelle elle est formée avant la formation de la bulle suivante à l'endroit de l'ouverture. Ceci est réalisé en prévoyant un écoulement d'eau à relativement grande vitesse à travers l'étroite fente 20 et en amenant du gaz à une vitesse quelque peu inférieure vers les extrémités ouvertes 54 des tubes capillaires 58.



  Ceci a pour résultat une action de cisaillement grâce à laquelle les bulles sont arrachées des tubes capillaires. A cause de la différence de vitesse de l'eau et du gaz, on dispose d'un temps suffisant pour que chaque bulle 22 soit cisaillée ou arrachée à partir du côté de la fente 20 et entraînée à partir de son ouverture capillaire 54 associée par l'écoulement d'eau avant la formation de la bulle suivante. La fente 20 a une relativement petite largeur, afin de réduire au minimum l'écoulement volumétrique de l'eau à grande vitesse à travers la fente.



   Comme indiqué précédemment, plus petite est la dimension des bulles et plus efficace est l'adsorption. Par conséquent, l'assemblage de diffuseur illustré, qui produit des bulles extrêmement petites, offre un système efficace et sûr à cause de la valeur élevée d'absorption avant que les bulles ne viennent se briser à la surface du lac.



   Comme indiqué précédemment, plus petit est le diamètre des bulles et plus lentement cette bulle s'élèvera. De même, plus petite est la bulle et plus rapide est la vitesse d'absorption. Par exemple, il a été déterminé que pour qu'une bulle se dissolve lorsqu'elle est libérée dans dix pieds d'eau, le diamètre de la bulle ne doit pas dépasser 0,18 mm. Une bulle de cette dimension a une vitesse d'élévation d'environ 3 cm/s, ce qui signifie que la bulle aura besoin de 100 secondes pour s'élever sur 300 cm. Cette même bulle a besoin d'environ 100 secondes pour être totalement dissoute. Ces données indiquent que pour obtenir une utilisation à 100% de l'oxygène dans 300 cm d'eau, les bulles ne doivent pas avoir une dimension supérieure à 0,18 mm. Des exemples analogues pour d'autres profondeurs peuvent également être déterminés.



   Etant donné que la dimension de bulles nécessaire pour procurer la flottabilité essentielle pour surmonter la tension superficielle maintenant la bulle sur le tube capillaire est supérieure à un diamètre de 0,5 mm, il ne s'est pas révélé possible d'engendrer des bulles uniformes avec un diamètre inférieur à 0,5   nun    en laissant simplement s'écouler un gaz à travers un petit tube capillaire.



   De plus, les tubes capillaires en verre avec un diamètre de 0,064 mm offrent un trou de passage à gaz uniforme, rectiligne et extrêmement petit. Ces capillaires uniformes produisent de petites bulles uniformes, à cause de leur configuration. En outre, la conservation de l'eau pompée est réalisée en assurant que la totalité de l'eau alors qu'elle est pompée est envoyée transversalement par rapport à la surface de cisaillement des bulles. Ceci est dû en partie au fait que le diffuseur est conçu avec une fente à eau qui envoie de force la totalité de l'eau pompée sur la surface de cisaillement des bulles.



   Dans l'assemblage illustré aux fig. 1 à 4, la série de tubes capillaires 58 est disposée le long de chaque côté s'étendant longitudinalement d'une fente 20, de telle sorte qu'une série de bulles de gaz est formée sur les côtés opposés de la fente. Ceci favorise un mélange efficace des bulles de gaz avec l'eau alors que le gaz s'écoule à travers la fente 20 dans le lac 14. L'assemblage illustré à la fig. 5 est construit et fonctionne approximativement de la même façon que l'assemblage des fig. 1 à 4. Toutefois, l'assemblage de diffuseur 70 à la fig. 5 possède une seule série 72 de tubes capil   lairés    74 agencés le long d'un côté 76 d'une fente 78. Par conséquent, des bulles de gaz sont formées uniquement le long du côté 76 de la fente 78. Le côté 80 de la fente 78 n'est pas interrompu par des ouvertures de tubes capillaires.

  L'oxygène ou un autre gaz est envoyé à partir d'une conduite à gaz (non représentée) et par l'intermédiaire d'un passage 82, à une chambre 84 dirigée vers le haut, qui est connectée en communication pour le fluide avec les extrémités ouvertes des tubes capillaires 74. Les autres extrémités de ces derniers sont disposées le long du côté 76 de la fente 78. Une chambre 88 est connectée à un tuyau à eau (non représenté) par un passage 90, de telle sorte que de l'eau sous pression s'écoule à partir de la chambre 88 à travers la fente 78, franchit les extrémités ouvertes des tubes capillaires 74 et cisaille les bulles de gaz à partir des tubes capillaires aussitôt qu'elles commencent à se former.



   Il convient de remarquer que les assemblages de diffuseur 10 et 70 présentent tous deux des ouvertures ou fentes allongées 20 et 78 avec une largeur ou intervalle qui peut être aisément fixé au cours de la fabrication des assemblages de diffuseur de manière à offrir le rapport désiré entre la largeur du courant d'eau s'écoulant à travers les fentes et les bulles de gaz formées sur les côtés des fentes.



   Au cours du fonctionnement des assemblages de diffuseur 10 et 72, de petites bulles de gaz sont formées aux extrémités ouvertes des tubes capillaires, le long des côtés des fentes. Aussitôt que les bulles se sont formées, elles sont cisaillées à partir des côtés des fentes par un écoulement d'eau à travers ces fentes et dans   dan   le lac dans lequel le gaz doit être absorbé. La vitesse de l'eau s'écoulant à travers les fentes est supérieure à la vitesse du gaz s'écoulant à travers les tubes capillaires 58 et 74, de telle sorte que chaque bulle est entraînée à partir de son tube capillaire associé par l'écoulement d'eau à travers la fente avant que la bulle de gaz suivante ne soit formée sur le tube capillaire.

    Ces bulles de gaz sont relativement petites et s'élèvent lentement, de telle sorte qu'elles sont balayées à partir du diffuseur sur une relativement grande distance dans le lac. La vitesse d'ascension relativement  lente des bulles de gaz et le fait qu'elles sont entraînées vers l'extérieur sur une relativement grande distance à partir du diffuseur favorisent l'absorption du gaz dans la masse d'eau et réduisent la perte par bouillonnement du gaz vers l'atmosphère.



   L'assemblage de diffuseur 10 peut être utilisé pour le traitement des eaux usées, la fermentation et d'autres processus dans lesquels un gaz est diffusé dans une masse de liquide. 

Claims (1)

1. REVENDICATION

   Appareil pour la diffusion de gaz dans un liquide comprenant un passage (20, 78) avec une pluralité d'ouvertures (54) à travers une partie latérale du passage, un agencement (24, 58, 60) permettant un écoulement de gaz vers les ouvertures (54) de manière à former de petites bulles (22) du gaz à l'endroit des ouvertures (54) et un agencement pour l'établissement d'un écoulement de liquide à travers le passage (20, 78) afin d'arracher par cisaillement les bulles, caractérisé en ce que chaque ouverture est définie par l'ex truité d'un tube respectif parmi plusieurs tubes capillaires (58, 74) qui sont encastrés dans ladite partie latérale du passage (20, 78) et qui recoupent le passage (20, 78).

   SOUSREVENDICATIONS 1. Appareil suivant la revendication, caractérisé en ce qu'il comprend une autre pluralité de tubes capillaires (58) débouchant dans le passage (20) par l'intermédiaire d'une autre série de petites ouvertures (54) le long d'une seconde partie latérale du passage (20) qui est opposée aux ouvertures (54) des premiers tubes capillaires (58) précités, cette autre pluralité de tubes capillaires étant constituée par des tubes discrets encastrés dans ladite seconde partie du passage et étant alimentée avec un écoulement de gaz de même que les premiers tubes capillaires précités, de telle sorte que des bulles (22) de gaz soient formées le long des deux parties opposées du passage (20) et en soient cisaillées alors que le liquide s'écoule à travers le passage.

   2. Appareil suivant la sous-revendication 1, caractérisé en ce que les tubes capillaires (58, 74) présentent des axes longitudinaux pratiquement rectilignes qui s'étendent transversalement par rapport au sens d'écoulement du liquide à travers le passage (20, 78).

   3. Appareil suivant la revendication ou l'une des sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'agencement destiné à établir l'écoulement de liquide à travers le passage (20, 78) est efficace pour établir un écoulement de liquide à une vitesse qui est supérieure à celle de l'écoulement de gaz à travers les tubes capillaires (58, 74), de telle sorte que l'écoulement de liquide dans le passage (20, 78) entraine chaque bulle (22) à partir de l'une des petites ouvertures (54) avant qu'une autre bulle (22) ne soit formée à l'endroit de cette petite ouverture.

   4. Appareil suivant la revendication ou l'une des sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le passage (20, 78) est une ouverture d'évacuation allongée dans un boîtier ou carter et l'agencement destiné à établir l'écoulement de gaz à travers les petites ouvertures (54) comprend une chambre (60) connectée en communication pour le fluide à une source de gaz (24) et en communication pour le fluide avec chaque tube capillaire (58, 74).

   5. Appareil suivant la sous-revendication 4, caractérisé en ce que l'agencement destiné à établir l'écoulement de liquide à travers le passage (20, 78) est efficace pour établir un écoulement de liquide à une vitesse qui est supérieure à celle de l'écoulement de gaz à travers les tubes capillaires (58, 74), de telle sorte que l'écoulement de liquide dans le passage (20, 78) entraîne chaque bulle (22) à partir de l'une des petites ouvertures (54) avant qu'une autre bulle (22) ne soit formée à l'endroit de cette petite ouverture.

   6. Appareil suivant la revendication ou l'une des sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun des tubes capillaires (58, 74) présente une section transversale sensiblement inva riable en forme et en dimension dans toute la longueur du tube.

   7. Appareil suivant la revendication ou l'une des sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun des tubes capillaires (58, 74) a sensiblement la forme d'un cylindre droit.

   8. Appareil suivant la revendication ou l'une des sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun des tubes capillaires (58, 74) a sensiblement la forme d'un cylindre droit circu laire.

   9. Appareil suivant la revendication ou l'une des sous-revendications I et 2, caractérisé en ce qu'au moins une rangée des tubes capillaires (58, 74) dans la paroi du passage (20, 78) est sensiblement perpendiculaire à la direction de l'écoulement de liquide à travers le passage.

   10. Appareil suivant la sous-revendication 9, caractérisé en ce que ladite rangée de tubes capillaires (58, 74) est sensiblement rectiligne.

   11. Appareil suivant la sous-revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs rangées de tubes capillaires (58, 74), ces rangées étant sensiblement perpendiculaires à la direction de l'écoulement de liquide à travers le passage.

   12. Appareil suivant la revendication ou l'une des sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun des tubes capillaires (58, 74) a une configuration en section transversale généralement circulaire avec un diamètre compris entre 0,0064 et 0,0128 mm, de telle sorte que chacune des bulles (22) produites aux petites ouvertures (54) a un diamètre inférieur à 0,10 mm.