FR2484862A1 - Injector for contacting gas with liq. to form emulsion - injects high speed gas co-current at low angle of incidence - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif pour le transfert de gaz dans un liquide. The present invention relates to a device for the transfer of gas in a liquid.
On connait actuellement trois grands types de dispositifs de transfert de gaz dans un liquide à savoir
- les dispositifs du type à injection de bulles par air comprimé ou surpressé qui fournissent de grosses bulles au moyen de cannes d'injection ou de fines bulles par dispersion à l'aide d'éléments poreux ou bien encore des bulles dites laminées grâce à des dispositifs combinant l'injection de bulles et une action mécanique permettant une déformation et un allongement du parcours des bulles.There are currently three main types of gas transfer devices in a liquid namely
devices of the bubble injection type by compressed air or superpressure which provide large bubbles by means of injection rods or fine bubbles by dispersion using porous elements or even so-called laminated bubbles by means of devices combining the injection of bubbles and a mechanical action allowing a deformation and an elongation of the path of the bubbles.
- les dispositifs provoquant un brassage de la surface du liquide au moyen soit de turbines soit de brosses ; et - les dispositifs du type venturi permettant la création d'une émulsion. - The devices causing a mixing of the liquid surface by means of either turbines or brushes; and devices of the venturi type enabling the creation of an emulsion.
Or, ces dispositifs sont tous caractérisés par la réalisation d'un mélange à faible vitesse relative des deux fluides mis en contact se traduisant par un faible taux de cisaillement du fait que l'écart des vitesses ne dépasse pas quelques mètres par seconde. Il en résulte un faible taux de renouvellement du liquide au voisinage des bulles de gaz et dont les conséquences sont la nécessité d'un long temps de contact entre les deux fluides, un faible rendement d'ut sation et une dépense énergétique relativement élevée d'où des dispositifs et appareils encombrants et peu rentables. However, these devices are all characterized by the achievement of a mixture at low relative speed of the two fluids brought into contact resulting in a low shear rate because the difference in velocities does not exceed a few meters per second. This results in a low rate of liquid renewal in the vicinity of the gas bubbles and the consequences of which are the need for a long contact time between the two fluids, a low operating efficiency and a relatively high energy expenditure of where devices and devices bulky and unprofitable.
Or, la présente invention fournit un procédé et un dispositif permettant d'obtenir un transfert de gaz dans un liquide avec à la fois un temps de contact très faible entre les deux fluides, une dépense énergétique réduite et un épuisement accru en gaz à dissoudre du gaz injecté. However, the present invention provides a method and a device for obtaining a transfer of gas in a liquid with both a very short contact time between the two fluids, a reduced energy expenditure and an increased depletion of the gas to dissolve. injected gas.
On sait déjà obtenir un faible temps de contact entre un liquide et un gaz avec formation d'une émulsion liquide-gaz en injectant, dans le liquide, le gaz à très grande vitesse et sous faible incidence. It is already known to obtain a short contact time between a liquid and a gas with the formation of a liquid-gas emulsion by injecting the gas at very high speed and at low incidence into the liquid.
On assiste en effet à ce phénomène par exemple dans le cas du "propulseur à réaction gazeuse pour la propulsion navale" décrit dans le brevet français NO 7406639 déposé le 27 février 1974 par la Société "Le Moteur Moderne". Un tel propulseur fixé à un corps flottant comprend un diffuseur d'entrée divergent dans lequel l'eau admise est comprimée et ralentie, au moins un étage d'injection de faible longueur faisant suite au diffuseur et comportant lesdits moyens pour introduire le gaz de réaction à très grande vitesse et sous une faible incidence et enfin un étage de détente non convergent. This is indeed the case for example in the case of the "jet propulsion jet for naval propulsion" described in French Patent No. 7406639 filed February 27, 1974 by the Company "The Modern Engine". Such a thruster fixed to a floating body comprises a diverging inlet diffuser in which the admitted water is compressed and slowed down, at least one injection stage of short length following the diffuser and comprising said means for introducing the reaction gas. at very high speed and under a low incidence and finally a non-convergent relaxation stage.
En raison de la vitesse élevée du gaz, l'interpénétration des deux fluides, en s'effectuant rapidement, provoque, dans ladite zone non convergente, une émulsion liquide-gaz de caractéristiques fort interessantes. Due to the high speed of the gas, the interpenetration of the two fluids, taking place rapidly, causes, in said non-convergent zone, a liquid-gas emulsion of very interesting characteristics.
De telles caractéristiques sont dues au taux très élevé de cisaillement initial résultant de l'écart de vitesse, à l'injection du gaz, de plusieurs dizaines de mètres par seconde. Les conséquences en sont un fort renouvellement de gaz au voisinage du liquide et, partant, un échange énergétique très rapide et à haut rendement et une dépense énergétique relativement faible. Such characteristics are due to the very high initial shear rate resulting from the difference in speed, at the injection of the gas, of several tens of meters per second. The consequences are a strong renewal of gas in the vicinity of the liquid and, therefore, a very fast energy exchange and high efficiency and a relatively low energy expenditure.
Toutes les conditions d'un bon transfert gazliquide sont donc réunies. All the conditions for a good gas transfer are therefore met.
Toutefois, si un tel "propuiseur" était utilisé tel quel dans le domaine des transferts gaz-liquide, il présenterait, entre autres, les inconvénients suivants
- éjection en sortie d'un liquide fortement émulsionné et il en résulterait la perte d'une importante quantité de gaz non dissous
- un niveau énergétique général trop élevé puisque l'aspect "propulsif" perd, dans le domaine considéré, son caractère prioritaire.However, if such a "propeller" was used as such in the field of gas-liquid transfers, it would have, among others, the following drawbacks:
- ejection at the outlet of a highly emulsified liquid and it would result in the loss of a large amount of undissolved gas
- a general energy level that is too high since the "propulsive" aspect loses its priority in the field considered.
Or, la présente invention obvie à ces inconvénients et fournit un procédé et un dispositif mettant en oeuvre les moyens d'introduction du gaz utilisés précédemment pour permettre d'injecter ce dernier à très grande vitesse et sous une faible incidence et un étage de détente non convergent en combinaison avec des moyens prévus en amont et en aval de ces éléments pour réaliser un ensemble fonctionnant suivant un cycle global à dépression intégrant un cycle partiel à pression. Dans lequel la valeur maximale de la pression reste inférieure à la valeur haute de la pression dans le cycle global. However, the present invention obviates these drawbacks and provides a method and a device implementing the gas introduction means used previously to allow to inject the latter at a very high speed and at a low incidence and a non-expansion stage. converge in combination with means provided upstream and downstream of these elements to achieve an assembly operating in a global vacuum cycle incorporating a partial pressure cycle. In which the maximum value of the pressure remains lower than the high value of the pressure in the overall cycle.
Le procédé selon l'invention est ainsi essen tellement caractérisé par le fait qu'il consiste à abaisser la pression du liquide destiné à entrer en contact avec le gaz considéré, à admettre ce dernier à très grande vitesse et sous faible incidence, a faire confluer les deux fluides dans des conditions de détente pour réaliser une émulsion fine puis à reprendre ladite émulsion et à en élever la pression tout en maintenant la pression résultante à un niveau iné- rieur à celui correspondant a la pression initiale du liquide admis. The method according to the invention is thus essen so characterized by the fact that it consists in lowering the pressure of the liquid intended to come into contact with the gas in question, to admit the latter at very high speed and at low incidence, to bring about both fluids under conditions of expansion to achieve a fine emulsion and then resume said emulsion and raise the pressure while maintaining the resulting pressure at a level below that corresponding to the initial pressure of the liquid admitted.
L'invention couvre également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, dispositif essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend, d'amont en aval, (a) un conduit convergent pour l'alimentation du liquide, (b) un étage d'injection de gaz réalisant une injection de gaz à très grande vitesse et sous faible incidence, (C) une enceinte non convergente dans laquelle s'effectuent la confluence des deux fluides et la réalisation dlune émulsion fine et (d) un conduit divergent débouchant dans une enceinte agencée pour permettre une récupération totale ou partielle du gaz non dissous et/ou son recyclage en (b). The invention also covers a device for carrying out this method, essentially characterized by the fact that it comprises, from upstream to downstream, (a) a convergent duct for feeding the liquid, (b) a gas injection stage producing a gas injection at very high speed and at low incidence, (C) a non-convergent enclosure in which the confluence of the two fluids and the production of a fine emulsion and (d) a divergent duct take place opening into a chamber arranged to allow total or partial recovery of undissolved gas and / or recycling in (b).
Les moyens (a), (b) et (c) du dispositif ainsi conçu permettent la réalisation d'un cycle à dépression alors que le moyen (d) permet d'élever le niveau de pression moyen du cycle total, l'ensemble constituant toujours un cycle à dépression. The means (a), (b) and (c) of the device thus designed allow the realization of a vacuum cycle while the means (d) makes it possible to raise the average pressure level of the total cycle, the assembly constituting always a depression cycle.
Comme indiqué précédemment, un tel dispositif présente les avantages suivants
- temps de contact très faible entre les deux fluides : par exemple la concentration en oxygène dissous dans une eau peut être amenée de 0 à 50 % de la concentration de saturation dans les mêmes conditions en moins de 0,2 seconde.As indicated above, such a device has the following advantages
very short contact time between the two fluids: for example the concentration of dissolved oxygen in a water can be brought from 0 to 50% of the saturation concentration under the same conditions in less than 0.2 seconds.
- dépense énergétique réduite
- épuisement accru en gaz à dissoudre.- reduced energy expenditure
- Increased depletion of gas to dissolve.
Il en résulte un appareil peu encombrant, d'utilisation peu onéreuse et de grand intérêt quand il s'agit de récupérer et/ou de recycler un gaz coûteux. Par ailleurs, cet appareil, sans aucune pièce mobile, ne présente pas de risque de bouchage, les matériaux le constituant devant être choisis en prenant en compte les caractères éventuellement agressifs des gaz ou liquide traités. This results in a compact device, inexpensive use and great interest when it comes to recovering and / or recycle an expensive gas. Furthermore, this device, without any moving parts, does not present a risk of clogging, the constituent materials to be chosen by taking into account the possibly aggressive characters of the treated gas or liquid.
Le dispositif aval (d) pour un fonctionnement optimum est avantageusement agencé de manière à permettre une régulation en pression et/ou en concentration en gaz à dissoudre. The downstream device (d) for optimum operation is advantageously arranged so as to allow regulation in pressure and / or gas concentration to dissolve.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'un détail de la figure 1 ;
- la figure 3 est un graphique montrant les variations de la pression tout au long du dispositif de la figure 1 ; et
- la figure 4 est un diagramme illustrant le transfert de gaz obtenu selon l'invention comparé au transfert obtenu selon des procédés connus.Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the following description given with reference to the accompanying drawings in which:
- Figure 1 is a schematic longitudinal sectional view of a device according to the invention;
FIG. 2 is a view on a larger scale of a detail of FIG. 1;
FIG. 3 is a graph showing the variations of the pressure throughout the device of FIG. 1; and
FIG. 4 is a diagram illustrating the gas transfer obtained according to the invention compared to the transfer obtained according to known methods.
En se référant à ces figures, le dispositif selon l'invention comporte, d'amont en aval, un conduit convergent 1 pour l'alimentation du liquide, un étage d'injection de gaz 2 (représenté à plus grande échelle sur la figure 2), étage dans lequel est introduit le gaz en provenance d'un conduit 3. Les sections successives de cet étage d'injection sont fonction de la pression créée dans la conduite 3 de manière que le gaz soit injecté à très grande vitesse par exemple à une vitesse de l'ordre d'une ou de quelques centaines de mètres par seconde et sous une incidence relativement faible de l'ordre d'une dizaine de degrés. Referring to these figures, the device according to the invention comprises, from upstream to downstream, a convergent duct 1 for supplying the liquid, a gas injection stage 2 (shown on a larger scale in FIG. 2 ), stage in which is introduced the gas from a conduit 3. The successive sections of this injection stage are a function of the pressure created in the pipe 3 so that the gas is injected at a very high speed, for example to a speed of the order of one or a few hundred meters per second and under a relatively low incidence of the order of ten degrees.
L'étage d'injection est immédiatement suivi d'un étage dit de détente 4 constitué par une enceinte dont les parois sont non convergentes, laquelle enceinte débouche dans une zone nettement divergente 5 en communication avec une enceinte 6 de récupération et/ou de recyclage du gaz par la conduite 3. Cette enceinte 6 peut être réalisée en fonction du taux de récupération et/ou du recyclage du gaz à diasou- dre. The injection stage is immediately followed by a so-called expansion stage 4 consisting of an enclosure whose walls are non-convergent, which chamber opens into a clearly diverging zone 5 in communication with a chamber 6 for recovery and / or recycling. This chamber 6 can be made according to the recovery rate and / or the recycling of gas diaspout.
A l'examen d'une telle constitution, on se rend immédiatement compte en suivant le graphique de la figure 3 qu'il met en oeuvre le procédé de l'invention, c'est-à-dire que dans la zone A-B, la pression du liquide à traiter est sensiblement constante, que cette pression s'abaisse dans le premier moyen amont 1 du dispositif selon l'invention, le liquide parcourant la zone B-C, que la dépression créée garde sensiblement sa valeur suivant C-D dans la zone d'injection du gaz 2, que la pression continue à décroître suivant D-E dans la zone dite de détente 4 et qu'enfin, la pression s'élève suivant E-F dans la zone 6 tout en atteignant une valeur stabilisée suivant F-G restant toujours inférieure à la valeur initiale A-B du liquide introduit dans le système. Upon examination of such a constitution, it is immediately realized by following the graph of FIG. 3 that it implements the method of the invention, that is to say that in zone AB the the pressure of the liquid to be treated is substantially constant, that this pressure is lowered in the first upstream means 1 of the device according to the invention, the liquid passing through the zone BC, the created depression substantially keeps its value following CD in the zone of injection of the gas 2, the pressure continues to decrease according to DE in the so-called expansion zone 4 and finally, the pressure rises according to EF in the zone 6 while reaching a stabilized value according to FG remaining always lower than the value initial AB of the liquid introduced into the system.
Le cycle général reste donc un cycle en dépression, ce qui permet au cas où on désirerait recycler le gaz non dissous se libérant dans la zone 6 de le ré-introduire dans la zone 2 par la conduite 3 sans fournir d'énergie supplémentaire, cette zone 2 se trouvant nécessairement en dépression (C-D sur la figure 3) par rapport à la zone 6 (F-G sur la figure 3).The general cycle thus remains a vacuum cycle, which makes it possible in the case where it is desired to recycle the undissolved gas that is released in zone 6 to re-introduce it into zone 2 via line 3 without providing additional energy. zone 2 necessarily being in depression (CD in FIG. 3) with respect to zone 6 (FG in FIG. 3).
On constate qu'en procédant de la sorte et avec le dispositif selon l'invention on obtient, d'une part, une grande efficacité de transfert de gaz dans un liquide, en particulier dans des conditions de pression du gaz à transférer pour lesquelles les procédés jusqu'ici connus se révèlent inefficaces et, d'autre part, une possibilité de récupération et de recyclage du gaz non dissous sans apport d'énergie supplémentaire. It can be seen that, in proceeding in this way and with the device according to the invention, on the one hand, a high gas transfer efficiency is obtained in a liquid, in particular under the pressure conditions of the gas to be transferred, for which the hitherto known processes prove to be ineffective and, on the other hand, a possibility of recovery and recycling of the undissolved gas without additional energy input.
Le diagramme comparatif de la figure 4 permet de mettre en évidence la supériorité de l'invention. The comparative diagram of FIG. 4 makes it possible to demonstrate the superiority of the invention.
Sur ce diagramme, sur lequel on a porté en abscisses la pression moyenne du milieu liquide (P) et en ordonnées, la capacité de transfert (Q)
- l'allure de la courbe I correspond au cas d;tane injection de bulles
- l'allure de la courbe Il correspond au cas d'un brassage de la surface du liquide ou encore à celui de la formation d'une émulsion telle que celle résultant de l'application d'un propulseur du type de celui du brevet français Na 7406 639 impliquant un cycle à pression-détente et enfin
- l'allure de la courbe III corrrespond au cas du dispositif selon l'invention.In this diagram, on which the average pressure of the liquid medium (P) has been plotted on the abscissa, and on the ordinate, the transfer capacity (Q)
the shape of curve I corresponds to the case of injection of bubbles
- The shape of the curve It corresponds to the case of a mixing of the surface of the liquid or to that of the formation of an emulsion such as that resulting from the application of a thruster of the type of that of the French patent Na 7406 639 involving a pressure-relax cycle and finally
the shape of curve III corresponds to the case of the device according to the invention.
Dans le cas I (courbe I), on voit que lorsque la pression augmente, le procédé utilisé se révèle de plus en plus efficace. Toutefois, pour une capacité accrue de transfert de gaz , la zone de travail optimale (zone A) se situe à une pression P supérieure à P2 (P2 étant couramment de l'ordre de 4.104 Pascal). In case I (curve I), we see that when the pressure increases, the process used is more and more effective. However, for an increased capacity of gas transfer, the optimal working area (zone A) is at a pressure P greater than P2 (P2 being commonly of the order of 4.104 Pascal).
Dans le cas Il (courbe Il), on constate que lorsque la pression diminue, le système perd rapidement de son efficacité. La zone de travail optimale (B) se situe alors pour P supérieure à P1 et de préférence pour P compris entre
P1 et P2 (P1 étant de l'ordre de 2.104 Pascal).In case II (curve II), it is found that when the pressure decreases, the system quickly loses its effectiveness. The optimal working area (B) is then for P greater than P1 and preferably for P between
P1 and P2 (P1 being of the order of 2.104 Pascal).
Enfin, dans le cas III (courbe IIIX, on voit que la capacité de transfert n'est que très peu influencée par la baisse de la pression moyenne du milieu. Elle garde une valeur importante pour des valeurs de la pression inférieure à P2 et surtout à P1, valeurs pour lesquelles les autres dispositifs perdent de plus en plus leur efficacité (zone C). Finally, in case III (curve IIIX), we see that the transfer capacity is only slightly influenced by the lowering of the average pressure of the medium and it keeps a significant value for values of the pressure below P2 and above all at P1, values for which the other devices lose more and more their efficiency (zone C).
Il s'ensuit que, conformément à l'invention, l'intégration d'un cycle à pression dans un cycle global à dépression permet de fournir à nouveau au gaz la pression différentielle qui était auparavant assurée par la compression et par conséquent que l'efficacité du transfert est maintenue dans des zones réputées inaccessibles telles que, par exemple, celles correspondant à de très faibles hauteurs manométriques. Par contre, il faut noter que dans les zones de "haute pression l'appareil selon l'invention est moins avantageux comparativement aux appareils mettant en oeuvre les procédés connus.It follows that, according to the invention, the integration of a pressure cycle in a global vacuum cycle makes it possible to supply the gas again with the differential pressure that was previously provided by the compression and consequently that the transfer efficiency is maintained in areas deemed inaccessible such as, for example, those corresponding to very low head. On the other hand, it should be noted that in the areas of high pressure the apparatus according to the invention is less advantageous compared with apparatuses implementing the known methods.
Le procédé et le dispositif de l'invention trouvent des applications multiples. C'est ainsi qu'en raison de la simplic-ité de réalisation, le faible prix de revient et l'efficacité, ils pourront être appliqués
- pour le traitement des eaux au moyen d air ou d'oxygène pour l'oxygénation des bassins, en particulier des bassins à faible et très faible profondeur (pisciculture, aquaculture) ; lsosgygénation des eaux et des boues dans les canalisations de transport ; l'oxygénation des eaux d'égouts ;; la désodorisation des eaux chargées et des boues les compléments de fourniture d'oxygène dans les dispositifs d'épuration en particulier biologique dopage des stations) ; l'oxydation des eau réductrices veaux sulfu- reuses ..)
- pour le traitement des eaux, au moyen de gaz divers dans les cas du dégazage des eaux et par extension des liquides alimentaires par l'azote ; de l'utilisation du C62 dans certains liquides alimentaires et pour le traitement d'effluents ;; de l'utilisation de O3 de C1 ou de ses dérivés dans le domaine de la désinfection ;
- en biotechnologie (industrie pharmaceutique ou industrie agro-alimentaire) pour 0 l'alimentation en gaz pour des réactions biologiques ; la stérilisation des milieux, en particulier pour les fermentations en continu ; la stérilisation des enceintes ; ;
- dans l'industrie chimique pour l'introduction des gaz réactionnels dans des liquides, l'hydrogénation, etc
- pour le traitement des gaz, en particulier pour leur lavage, leur désodorisation ou leur purification, etc.The method and the device of the invention have multiple applications. Thus, because of the simplicity of realization, the low cost price and efficiency, they can be applied
- for the treatment of water with air or oxygen for the oxygenation of basins, in particular basins at low and very shallow depths (fish farming, aquaculture); the oxygenation of water and sludge in transport pipelines; oxygenation of sewage; the deodorization of charged water and sludge oxygen supply complements in the purification devices, in particular biological doping of the stations); the oxidation of reductive water sulphurous calves ..)
- for the treatment of water, by means of various gases in the case of degassing of water and by extension of liquid food by nitrogen; the use of C62 in certain food liquids and for the treatment of effluents; the use of C1 O3 or its derivatives in the field of disinfection;
- in biotechnology (pharmaceutical or food industry) for 0 supply of gas for biological reactions; sterilization of media, especially for continuous fermentations; sterilization of the speakers; ;
- in the chemical industry for the introduction of reaction gases into liquids, hydrogenation, etc.
for the treatment of gases, in particular for their washing, deodorization or purification, etc.
- et en général dans tous les cas où le transfert d'un gaz dans un liquide est recherché. and in general in all cases where the transfer of a gas into a liquid is sought.
Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif et que toute modification utile pourra y être apporté sans sortir de son cadre tel que défini par les revendications ciaprès. It goes without saying that the present invention has been described only as a purely explanatory and non-limiting and that any useful modification can be made without departing from its scope as defined by the claims below.
Claims (6)
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