EP4613366A1 - Mélangeur gaz/liquide par dilution et division - Google Patents

Mélangeur gaz/liquide par dilution et division

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EP4613366A1
EP4613366A1 EP25160305.6A EP25160305A EP4613366A1 EP 4613366 A1 EP4613366 A1 EP 4613366A1 EP 25160305 A EP25160305 A EP 25160305A EP 4613366 A1 EP4613366 A1 EP 4613366A1
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EP
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screw
liquid
gas
shaft
zone
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EP25160305.6A
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German (de)
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Franck Cousin
Dominique Ibarra
Bruno Alban
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Air Liquide France Industrie SA
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    • B01F2025/93—Arrangements, nature or configuration of flow guiding elements
    • B01F2025/931—Flow guiding elements surrounding feed openings, e.g. jet nozzles

Definitions

  • the present invention relates to devices for mixing a gas in a liquid.
  • mixers have more or less significant elongational flows. This is why they are particularly used for mixing polymers with high viscosity ratios as well as for the production of emulsions.
  • the present invention seeks to propose a new mixing configuration characterized in that two different action zones are implemented in a screw: in a first part, mixing by dilution where the gas is gradually distributed in the liquid, followed by a second part carrying out mixing by division.
  • this mixer ensures high gas enrichment efficiency with minimal hydraulic loss, and it is capable of solubilizing many gases such as carbon dioxide (CO 2 ), oxygen (O 2 ) and ozone (O 3 ) in water, including at the saturation limit.
  • gases such as carbon dioxide (CO 2 ), oxygen (O 2 ) and ozone (O 3 ) in water, including at the saturation limit.
  • the mixer according to the invention can be integrated into the existing pipes on the site, or even configured in a bypass loop using a pump (for example in a recirculation loop of a basin to be oxygenated or pH regulated).
  • the number of holes and the diameter of the pipe will be chosen according to the dissolution requirement. It is obvious to those skilled in the gas field that the more holes are spaced apart and the smaller the hole diameter, the more small bubbles will be formed.
  • the size of the bubbles at creation will be at a minimum identical or even partly already dissolved at the exit of the tube. It is therefore necessary to take care to produce small bubbles, and to favor a high speed, preferably a turbulent regime, to obtain a good, forced mixing of the gas with the liquid (gas speed of typically 1 to 2 m/s, preferably around 2 m/s).

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  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Abstract

Dispositif de mélange d'un gaz dans un liquide, mettant en œuvre une structure de vis dans une canalisation où le liquide est apte à circuler, ainsi que des moyens d'injection du gaz en un ou plusieurs points dans la canalisation, la vis pouvant être de tout type, telle vis d'Archimède ou autre vis avec arbre central et pales organisées sur cet arbre, se caractérisant en ce que :
- l'on met en œuvre deux zones d'actions différentes dans la vis : dans une première partie de la vis un mélange par dilution où l'on distribue progressivement le gaz dans le liquide, suivie par une seconde partie de la vis réalisant un mélange par division ;
- en ce que la première zone vue par le liquide comporte une portion de vis au sein de laquelle l'arbre est une canalisation percée d'orifices, le liquide à traiter passant dans l'espace interne à la canalisation environnant l'arbre, tandis que le gaz est distribué à l'intérieur de l'arbre et se déverse via les orifices dans le liquide ;
- la seconde zone vue par le liquide située en aval de la première zone et lui étant parfaitement adjacente et en communication de fluide est constituée par une portion de vis dont l'arbre est dépourvu d'orifices.

Description

  • La présente invention s'intéresse aux dispositifs permettant de réaliser un mélange d'un gaz dans un liquide.
  • On sait que de tels procédés de dissolution, d'enrichissement d'un liquide en un gaz, interviennent dans de nombreux domaines industriels et notamment l'aération des eaux usées, ou encore la préparation de boissons gazeuses, ou encore la dissolution de gaz dans des produits chimiques.
  • On peut citer ici :
    • La dissolution de chlore dans l'eau : Le chlore (Cl2) se dissout dans l'eau pour former de l'acide hypochloreux (HOCI) et de l'acide chlorhydrique (HCl), ce qui est utilisé dans le traitement de l'eau potable et dans les piscines pour désinfecter l'eau.
    • L'Ammoniac dans l'eau : L'ammoniac (NH3) se dissout dans l'eau pour former de l'hydroxyde d'ammonium (NH4OH), ce qui est important dans la production d'engrais et dans certaines réactions chimiques.
    • Le dioxyde de soufre dans l'eau : Le dioxyde de soufre (SO2) se dissout dans l'eau pour former de l'acide sulfureux (H2SO3), ce qui peut contribuer à la pluie acide et à d'autres problèmes environnementaux.
  • Et la question de l'injection de gaz neutres pour la désoxygénation dans les produits liquides chimiques peut être utile pour plusieurs raisons :
    • Stabilité : En éliminant l'oxygène dissous, on réduit le risque d'oxydation des composants sensibles présents dans le liquide, ce qui peut prolonger la durée de conservation du produit.
    • Réactivité : Certains processus chimiques nécessitent l'absence d'oxygène pour se dérouler efficacement, donc la désoxygénation peut favoriser ces réactions en éliminant l'oxygène qui pourrait interférer.
    • Prévention de la corrosion : Dans certains cas, la présence d'oxygène peut favoriser la corrosion des contenants ou des équipements en contact avec le liquide chimique. La désoxygénation peut donc contribuer à réduire ce risque.
    • Qualité du produit final : En éliminant l'oxygène, on peut également réduire la formation de sous-produits indésirables qui pourraient résulter de réactions indésirables avec l'oxygène.
  • Le fonctionnement et les performances observées vont dépendre de la conception du mélangeur utilisé, qui peut mettre en oeuvre des buses, des agitateurs ou d'autres mécanismes pour mélanger efficacement le gaz et le liquide.
  • On peut citer ici le cas du mélangeur statique, qui est un dispositif de mélange en continu des fluides qui peut adopter de nombreuses géométries, et notamment une forme tubulaire composée d'un ensemble d'éléments immobiles placés bout à bout dans un tube. Chaque élément a une structure géométrique rigide particulière qui divise le flux et le recombine. En général, le contact entre les fluides a lieu grâce au mouvement radial engendré dans les mélangeurs. L'aire interfaciale générée dépend directement de l'énergie dissipée sous forme de perte de charge. L'efficacité de l'opération de mélange dans un mélangeur statique dépend beaucoup du régime d'écoulement.
  • Différentes géométries de mélangeurs ont ainsi été créées pour s'adapter notamment aux écoulements laminaires et turbulents.
  • Certains de ces mélangeurs comportent des écoulements élongationnels plus ou moins importants. C'est pourquoi ils sont particulièrement utilisés pour le mélange des polymères ayant des rapports de viscosité élevés ainsi que pour la production des émulsions.
  • D'autres mélangeurs statiques sont basés essentiellement sur le cisaillement.
  • L'utilisation des mélangeurs statiques est très bien connue, et fait l'objet d'une littérature très abondante, les inconvénients de ces mélangeurs sont ainsi bien connus, parmi lesquels on peut citer :
    • des limitations quant aux mélanges réalisables : en effet les mélangeurs statiques ne conviennent pas à tous les types de mélanges, en particulier lorsque des éléments très visqueux ou difficiles à mélanger sont impliqués. Ils peuvent alors présenter des difficultés voire des impossibilités pour permettre l'obtention d'une homogénéité parfaite.
    • leur taille et leur encombrement : les mélangeurs statiques peuvent être volumineux, ce qui peut être un inconvénient si l'industriel présente des contraintes d'espace.
    • Ils peuvent également être difficiles à intégrer dans certaines configurations de processus industriel global (intégration rendue difficile par le deltaP généré qui réduit le débit ou encore demande davantage d'énergie pour maintenir le débit).
    • leur nettoyage : intrinsèquement, de par leur conception même, très dense et « torturée », le nettoyage des mélangeurs statiques peut être difficile et fastidieux en raison de leur conception complexe avec de nombreuses ailettes et canaux. Cela peut entraîner des temps d'arrêt dans la production.
    • le coût initial : les mélangeurs statiques de haute qualité peuvent être coûteux à l'achat, ce qui peut représenter un investissement initial élevé pour certaines entreprises.
    • leur sensibilité à l'encrassement : comme on l'a vu ci-dessus, es mélangeurs statiques sont sensibles à l'encrassement par des particules solides, ce qui peut affecter leur efficacité de mélange au fil du temps.
    • un besoin de pression ou de débit constants : certains mélangeurs statiques nécessitent un débit ou une pression constants pour fonctionner correctement, ce qui peut être contraignant dans certaines applications et nécessite soit l'ajout d'une pompe soit le surdimensionnement de la pompe déjà en place.
  • Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention s'attache à proposer une nouvelle configuration de mélange se caractérisant en ce que l'on met en oeuvre deux zones d'actions différentes dans une vis : dans une première partie un mélange par dilution où l'on distribue progressivement le gaz dans le liquide, suivie par une seconde partie réalisant un mélange par division.
  • Et comme on va le voir, ce mélangeur assure une grande efficacité d'enrichissement du gaz avec une perte hydraulique minimale, et il est capable de solubiliser de nombreux gaz tels que le dioxyde de carbone (CO2 ), l'oxygène (O2 ) et l'ozone (O3 ) dans l'eau, y compris en limite de saturation.
  • Cette technologie est très efficace dans les eaux de procédés où la solubilité du gaz est limitée par les conditions opératoires. Et parmi les conditions opératoires qui sont limitantes on peut citer :
    • La distance disponible pour avoir un temps de contact nécessaire à la dissolution du gaz : on sait que selon les cas des dizaines de mètres sont parfois nécessaires, ce qui représente un espace très pénalisant.
    • La Pression : certain systèmes fonctionnent à des pressions élevées (de l'atmosphère à par exemple 200 bars) : le présent système entièrement en inox permet de répondre à des contraintes de résistance à la pression .
    • La température.
    • l'agressivité de certains liquides ( soude , acide ......)
  • Le mélangeur conforme à l'invention peut être intégré aux canalisations existantes du site, ou bien encore configuré dans une boucle bypass à l'aide d'une pompe (par exemple dans une boucle de recirculation d'un bassin à oxygéner ou à réguler en pH ).
  • La grande efficacité de ce nouveau système est basée sur le principe d'une dilution progressive du gaz dans le liquide, résultant d'une grande interface gaz-liquide. Le transfert gaz-liquide est optimisé grâce ensuite à une fonction de division qui génère peu de perte de charge. Le système est en outre résistant à l'abrasion.
  • Explicitons mieux ce qui précède à l'aide de la [Figure 1] annexée qui fournit une vue schématique partielle d'un exemple de mise en oeuvre dans l'enchainement de ces deux zones (avec une vue zoomée en partie droite de la figure et montrant le sens d'avancement du fluide dans la structure) :
    • On visualise donc une première zone (première zone vue par le fluide à traiter), première zone qui comporte une portion de vis d'Archimède au sein de laquelle l'arbre est une canalisation percée d'orifices, le liquide à traiter passe dans l'espace interne à la canalisation environnant l'arbre, tandis que le gaz passe à l'intérieur de l'arbre et se déverse via les orifices dans le liquide environnant l'arbre. Comme on l'expliquera ci-dessous on peut qualifier cette zone de « zone de dilution »).
    • Cette première zone est suivie par une seconde zone, zone que l'on peut qualifier de « zone de « mélange » ou « zone de division », telle que constituée par le seul enchainement des pales d'une vis (sais arrivée de gaz).
    • Dilution dans la première zone, et l'on peut même dire dilution progressive puisque à chaque tour de l'eau dans la vis d'Archimède l'eau rencontre un orifice au travers duquel le gaz s'échappe, le gaz n'est donc pas injecté en un seul point mais en une succession de points . La distribution du gaz dans l'eau est donc progressive, pour maintenir les bulles de gaz séparées.
    • Division dans la seconde zone : l'idée est de diviser le flux « liquide/gaz » en deux à chaque tour, à chaque tour il se divise et se rejoint pour être de nouveau divisé en deux, permettant un mélange facile.
  • Et l'on peut considérer l'exemple illustré en [Figure 2] annexée, de zone de mélange (de « division ») comptant dans l'exemple représenté 15 spires, donc 15 opérations de division, un volume d'eau donné sera divisé ainsi 15 fois.
  • Le nombre d'orifices et le diamètre de la canalisation seront choisis en fonction du besoin de dissolution. Il est évident pour l'homme du métier des gaz que plus il a de trous espacés et plus le diamètre du trou est petit, plus il y a de formation de petites bulles. La taille des bulles à la création (entrée dans le liquide) sera a minima identique voire en partie déjà dissoute à la sortie du tube. Il faut donc soigner la production de petites bulles, et favoriser une vitesse élevée, préférentiellement un régime turbulent, pour obtenir un bon mélange, forcé, du gaz avec le liquide (vitesse du gaz de typiquement 1 à 2 m/s, de préférence environ 2 m/s).
  • L'invention concerne alors un dispositif de mélange d'un gaz dans un liquide, mettant en oeuvre une structure de vis dans une canalisation où le liquide est apte à circuler, ainsi que des moyens d'injection du gaz en un ou plusieurs points dans la canalisation, la vis pouvant être de tout type, telle vis d'Archimède ou vis avec arbre central et pales organisées sur cet arbre, se caractérisant en ce que :
    • l'on met en oeuvre deux zones d'actions différentes dans la vis : dans une première partie un mélange par dilution où l'on distribue progressivement le gaz dans le liquide, suivie par une seconde partie réalisant un mélange par division ;
    • la première zone vue par le liquide comporte une portion de vis au sein de laquelle l'arbre est une canalisation percée d'orifices, le liquide à traiter passant dans l'espace interne à la canalisation environnant l'arbre, tandis que le gaz est distribué à l'intérieur de l'arbre et se déverse via les orifices dans le liquide ;
    • la seconde zone située en aval de la première zone et lui étant parfaitement adjacente et en communication de fluide est constituée par une portion de vis dont l'arbre est dépourvu d'orifices.
  • Comme on l'a dit, la vis utilisée peut être de tout type :
    • Vis sans fin : utilisées pour le transport de matériaux en vrac, comme les grains, les poudres, ou les granulés.
    • Vis d'Archimède : principalement utilisées pour le pompage et le déplacement de liquides, telles que l'eau ou les liquides visqueux.
    • Vis de dosage : conçues pour doser précisément des matériaux en vrac ou des liquides, souvent utilisées dans les processus industriels.
    • Vis de pression : utilisées pour appliquer une pression contrôlée sur les matériaux transportés afin de les compacter ou de les expulser.

Claims (3)

  1. Dispositif de mélange d'un gaz dans un liquide, mettant en oeuvre une structure de vis dans une canalisation où le liquide est apte à circuler, ainsi que des moyens d'injection du gaz en un ou plusieurs points dans la canalisation, la vis pouvant être de tout type, telle vis d'Archimède ou autre vis avec arbre central et pales organisées sur cet arbre, se caractérisant en ce que :
    - l'on met en oeuvre deux zones d'actions différentes dans la vis : dans une première partie de la vis un mélange par dilution où l'on distribue progressivement le gaz dans le liquide, suivie par une seconde partie de la vis réalisant un mélange par division ;
    - en ce que la première zone vue par le liquide comporte une portion de vis au sein de laquelle l'arbre est une canalisation percée d'orifices, le liquide à traiter passant dans l'espace interne à la canalisation environnant l'arbre, tandis que le gaz est distribué à l'intérieur de l'arbre et se déverse via les orifices dans le liquide ;
    - la seconde zone vue par le liquide située en aval de la première zone et lui étant parfaitement adjacente et en communication de fluide est constituée par une portion de vis dont l'arbre est dépourvu d'orifices.
  2. Dispositif de mélange selon la revendication 1, se caractérisant en ce que le dispositif est apte à être intégré dans une canalisation existante d'une installation globale.
  3. Dispositif de mélange selon la revendication 1, se caractérisant en ce que le dispositif est apte à être intégré dans une boucle bypass d'une installation globale à l'aide d'une pompe, par exemple dans une boucle de recirculation d'un bassin à oxygéner ou à réguler en pH .
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