FR2679790A1 - Physicochemical reactor with ultrasonic cavitation - Google Patents
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Abstract
Description
REACTEUR PHY8ICO-CEIMIQUE
A CAVITATION ULTRA80NORE
La présente invention décrit un dispositif et un procédé permettant d'étendre le champ des applications industrielles des ultrasons et de la cavitation ultrasonore: - à la potabilisation des eaux destinées à l'alimentation, - à l'assainissement et à la désinfection des eaux recyclables comme les eaux de piscines, - à la préparation de cultures par sélection ou par élimination sélective de certains micro-organismes (bactéries, algues, protozoaires, champignons, mycètes, levures etc...) ou de certains germes de fermentations dans le cas de cultures spécifiques destinées soit à effectuer des recherches bactériologiques, soit à induire des fermentations industrielles, alimentaires ou autres, - à l'activation ou à la réalisation d'un certain nombre de réactions chimiques, - au traitement des déchets graisseux provenant des eaux résiduaires.PHY8ICO-CEIMIC REACTOR
A CAVITATION ULTRA80NORE
The present invention describes a device and a method for extending the field of industrial applications of ultrasound and ultrasonic cavitation: - for the purification of water intended for food, - for the sanitation and disinfection of recyclable water such as swimming pool water, - to the preparation of cultures by selection or by selective elimination of certain micro-organisms (bacteria, algae, protozoa, fungi, fungi, yeasts, etc.) or certain germs of fermentations in the case of specific cultures intended either to carry out bacteriological research, or to induce industrial, food or other fermentations, - to the activation or to the realization of a certain number of chemical reactions, - to the treatment of greasy waste coming from waste waters.
L'effet des ultrasons ou de la cavitation ultrasonore est connu et utilisé depuis longtemps. The effect of ultrasound or ultrasonic cavitation has been known and used for a long time.
Ainsi le procédé de potabilisation ou d'assainissement des eaux par verdunisation est couramment utilisé: il consiste à soumettre l'eau à un battage mécanique très énergique tout en ajoutant de petites quantités de réactifs chimiques oxydants, conduisant à un dégagement d'oxygène ou de chlore atomiques. Or la cavitation ultrasonore engendre une agitation et un brassage bien supérieurs au battage mécanique. L'action bactéricide des réactifs est donc considérablement accrue par la cavitation ultrasonore, ce qui permet de diminuer les quantités de réactifs utilisés. Thus the process of purification or purification of water by greening is commonly used: it consists in subjecting the water to a very energetic mechanical threshing while adding small quantities of oxidizing chemical reagents, leading to a release of oxygen or atomic chlorine. However, ultrasonic cavitation generates agitation and stirring far superior to mechanical threshing. The bactericidal action of the reagents is therefore considerably increased by ultrasonic cavitation, which makes it possible to reduce the quantities of reagents used.
L'action bactéricide des ultrasons ou de la cavitation ultrasonore est reconnue. Malheureusement elle ne permet pas une stérilisation totale. The bactericidal action of ultrasound or ultrasonic cavitation is recognized. Unfortunately it does not allow total sterilization.
Certains micro-organismes sont moins résistants que d'autres aux effets de la cavitation. C'est notamment le cas des micro-organismes filiformes qui sont détruits même par une brève exposition alors que d'autres sont à peine affectés.Some microorganisms are less resistant than others to the effects of cavitation. This is particularly the case of the filiform micro-organisms which are destroyed even by a brief exposure while others are hardly affected.
Ces effets de la cavitation ultrasonore peuvent donc être mis à profit pour la préparation de cultures, par sélection ou par élimination sélective, de certains micro-organismes dont la stucture est plus sensible à l'action de la cavitation.These effects of ultrasonic cavitation can therefore be used for the preparation of cultures, by selection or by selective elimination, of certain microorganisms whose structure is more sensitive to the action of cavitation.
Cette action sélective peut être appliquée non seulement aux cultures destinées aux recherches bactériologiques de laboratoire mais encore aux cultures spécifiques destinées à induire des fermentations industrielles, alimentaires ou non.This selective action can be applied not only to cultures intended for bacteriological laboratory research but also to specific cultures intended to induce industrial fermentations, food or not.
En ce qui concerne l'activation de certaines réactions chimiques, on peut en citer plusieurs exemples. With regard to the activation of certain chemical reactions, several examples can be cited.
D'abord les réactions en phases hétérogènes sont favorisées par le brassage intense que produit la cavitation ultrasonore.First, the reactions in heterogeneous phases are favored by the intense mixing produced by ultrasonic cavitation.
Ensuite, certaines réactions chimiques lentes, de faible énergie, comme l'hydrolyse et l'estérification, ou la solubilisation de certains oxydes obtenus par calcination, sont accélérées par la cavitation ultrasonore, agissant seule ou en présence de réactifs appropriés.Then, some slow, low-energy chemical reactions, such as hydrolysis and esterification, or the solubilization of certain oxides obtained by calcination, are accelerated by ultrasonic cavitation, acting alone or in the presence of suitable reagents.
Enfin un certain nombre de réactions comme l'oxydation ou l'hydrogénation, en phase liquide, de composés organiques (ou minéraux) peuvent être déclenchées ou accélérées par la cavitation ultrasonore.Finally, a certain number of reactions such as oxidation or hydrogenation, in the liquid phase, of organic (or mineral) compounds can be triggered or accelerated by ultrasonic cavitation.
L'émulsification des huiles et des corps gras est couramment utilisée dans l'industrie agro-alimentaire. The emulsification of oils and fatty substances is commonly used in the food industry.
Mais le procédé peut être également appliqué à l'émulsification des déchets graisseux rejetés soit par les industriels de l'agro-alimentaire soit par les professionnels de la restauration.However, the process can also be applied to the emulsification of fatty waste discharged either by food manufacturers or by catering professionals.
Ces déchets graisseux sont solides à la température am biante. La cavitation provoque partiellement leur émulsification et même leur hydrolyse. Mais s'ils sont portés à leur température de fusion ou de ramollissement, ils sont émulsionnés tres rapidement sous l'action de la cavitation ultrasonore. On peut ainsi émulsionner 3 à 10 litres par minute d'un mélange contenant 50% de déchets graisseux et 50% d'eau. On observe une hydrolyse notable (de l'ordre de 20%), des corps gras contenus dans ces déchets, hydrolyse que l'on peut encore favoriser par l'addition de réactifs alcalins (hydroxydes de sodium, de potassium ou de calcium; ammoniac; carbonate de sodium etc...).This fatty waste is solid at ambient temperature. Cavitation partially causes their emulsification and even their hydrolysis. But if they are brought to their melting or softening temperature, they are emulsified very quickly under the action of ultrasonic cavitation. It is thus possible to emulsify 3 to 10 liters per minute of a mixture containing 50% of fatty waste and 50% of water. There is a notable hydrolysis (of the order of 20%), of the fatty substances contained in this waste, hydrolysis which can be further promoted by the addition of alkaline reagents (sodium, potassium or calcium hydroxides; ammonia ; sodium carbonate etc ...).
Dans sa réalisation préférentielle le dispositif, qui fait l'objet de l'invention, comporte principalement quatres parties: - un générateur ultrasonore de grande puissance, qui peut être soit un résonateur composite à excitation piézoélectrique soit un résonateur à excitation magnétostrictive, asservi en fréquence et en puissance, - un réacteur possédant une chambre de réaction de forme cylindrique dans lequel le résonateur produit une cavitation intense. In its preferred embodiment, the device, which is the subject of the invention, mainly comprises four parts: - a high power ultrasonic generator, which can be either a composite resonator with piezoelectric excitation or a resonator with magnetostrictive excitation, frequency controlled and in power, - a reactor having a reaction chamber of cylindrical shape in which the resonator produces intense cavitation.
- un système de contrôle et de régulation de la pression gazeuse à l'intérieur du réacteur, - un système de contrôle et régulation thermique du liquide traité.- a system for controlling and regulating the gas pressure inside the reactor, - a system for controlling and regulating the temperature of the liquid treated.
Le réacteur et le résonateur présentent certaines caractéristiques innovantes. The reactor and the resonator have certain innovative characteristics.
Ainsi l'efficacité d'un résonateur, caractérisée par son aptitude à engendrer une intense cavitation, dépend de la charge traitée. Cette efficacité est très sensible à la longueur immergée de l'extrémité émettrice d'ultrasons, qui doit être adaptée au liquide traité, caractérisée principalement par sa masse volumique et sa viscosité
De même, selon la nature du liquide traité, la cavivitation n'est active que sur un volume déterminé.Thus the efficiency of a resonator, characterized by its ability to generate intense cavitation, depends on the load treated. This efficiency is very sensitive to the submerged length of the ultrasonic emitting end, which must be adapted to the treated liquid, characterized mainly by its density and viscosity
Similarly, depending on the nature of the liquid treated, cavivitation is only active over a determined volume.
Enfin il est peut être utile d'introduire certains réactifs chimiques, solides, liquides ou gazeux, en cours de l'action des ultrasons, dans la région de cavitation la plus intense. Finally, it may be useful to introduce certain chemical reagents, solid, liquid or gaseous, during the action of ultrasound, in the most intense cavitation region.
De plus un contrôle précis de la température des produits traités est nécessaire. In addition, precise control of the temperature of the treated products is necessary.
Pour répondre à ces exigences: - le résonateur possède, à la surface de sa partie émet
trice, des injecteurs permettant l'introduction de ré
actifs chimiques, - le réacteur comporte: à à sa partie supérieure, un système de contrôle de la pression gazeuse qui permet de faire varier le niveau du liquide dans le réacteur afin d'obtenir une immersion plus ou moins profonde de l'extrémité émettrice du résonateur,
un asservissement de cette pression gazeuse, afin de rechercher la profondeur d'immersion du résonateur correspondant à la plus grande intensité de cavitation, mesurée par un capteur de vibrations, une chambre de réaction, d'un volume variant entre 0,15 et 0,6 litre selon la nature du liquide traité, volume ajustable au moyen d'un piston . ce piston coulisse dans un cylindre de diffusion dont la paroi perforée permet l'introduction d'autres réactifs liquides ou gazeux, un asservissement de la température comportant, pour des températures supérieures à la température ambiante, un élément chauffant et un échangeur thermique.To meet these requirements: - the resonator has, on the surface of its part, emits
injectors allowing the introduction of re
chemical active ingredients, - the reactor comprises: at its upper part, a gas pressure control system which makes it possible to vary the level of the liquid in the reactor in order to obtain a more or less deep immersion of the emitting end of the resonator,
a control of this gas pressure, in order to find the depth of immersion of the resonator corresponding to the greatest intensity of cavitation, measured by a vibration sensor, a reaction chamber, of a volume varying between 0.15 and 0, 6 liters depending on the nature of the liquid treated, volume adjustable by means of a piston. this piston slides in a diffusion cylinder whose perforated wall allows the introduction of other liquid or gaseous reagents, a temperature control comprising, for temperatures above ambient temperature, a heating element and a heat exchanger.
L'invention sera mieux comprise en examinant les figures 1 à 4. The invention will be better understood by examining Figures 1 to 4.
La figure 1 représente une vue d'ensemble et le principe du dispositif
La figure 2 représente le détail de la chambre d'action des ultrasons, dénommée chambre de réaction
La figure 3 montre l'asservissement en pression et le contrôle de l'immersion de la sonotrode.Figure 1 shows an overview and the principle of the device
Figure 2 shows the detail of the ultrasonic action chamber, called the reaction chamber
FIG. 3 shows the pressure control and the control of the immersion of the sonotrode.
La figure 4 représente le contrôle thermique avec élément chauffant et échangeur. Figure 4 shows the thermal control with heating element and exchanger.
Le liquide à traiter pénètre dans le réacteur 1 par la tubulure 2. I1 entre dans une chambre de distribution 3 de forme torique d'où il sort par les orifices 4 pour pénétrer dans la chambre de réaction 5 délimitée par le cylindre de diffusion 8, par le piston 9 et la couronne 90 que ce piston porte à sa partie supérieure. The liquid to be treated enters the reactor 1 through the tubing 2. I1 enters a distribution chamber 3 of toric shape from where it leaves through the orifices 4 to enter the reaction chamber 5 delimited by the diffusion cylinder 8, by the piston 9 and the crown 90 that this piston carries at its upper part.
Le liquide traité sort de la chambre de réaction 5 par les orifices 10 ménagés dans le piston 9, pénètre dans la chambre d'évacuation 11 et sort du réacteur par la tubulure 12. La chambre de distribution 3 et la chambre d'évacuation 11 sont isolées l'une de l'autre par la chambre de distribution 3, le cylindre de diffusion 8, son support 80 et la couronne 90.The treated liquid leaves the reaction chamber 5 through the orifices 10 formed in the piston 9, enters the evacuation chamber 11 and leaves the reactor through the tube 12. The distribution chamber 3 and the evacuation chamber 11 are isolated from each other by the distribution chamber 3, the diffusion cylinder 8, its support 80 and the crown 90.
Le rôle de la chambre de distribution 3 est de répartir le liquide afin qu'il pénètre de façon bien régulière à la périphérie de la chambre de réaction 5. The role of the distribution chamber 3 is to distribute the liquid so that it penetrates very regularly at the periphery of the reaction chamber 5.
L'extrémité 6, de la partie émettrice du résonateur 7, porte des injecteurs 60 et 61 qui servent à introduire un ou plusieurs réactifs gazeux, liquides et/ ou des solides finement divisés en suspension dans un liquide porteur, amenés par les tubulures 65 et 66. The end 6, of the emitting part of the resonator 7, carries injectors 60 and 61 which serve to introduce one or more gaseous, liquid reagents and / or finely divided solids suspended in a carrier liquid, brought by the pipes 65 and 66.
Le cylindre de diffusion 8, fixé de façon rigide sur toute sa périphérie par un support 80 fixé à la chambre de distribution 3, est constitué de deux parois 81 et 82, ménageant entre elles un espace annulaire 83. The diffusion cylinder 8, rigidly fixed over its entire periphery by a support 80 fixed to the distribution chamber 3, consists of two walls 81 and 82, forming between them an annular space 83.
Une tubulure 84 permet d'introduire un liquide ou un gaz dans l'espace cylindrique 83. La paroi interne 82 est perforée de petits trous dont le nombre et la dimension sont adaptés à la meilleure diffusion selon la nature gazeuse, liquide ou visqueuse du réactif utilisé.A tubing 84 makes it possible to introduce a liquid or a gas into the cylindrical space 83. The internal wall 82 is perforated with small holes whose number and size are adapted to the best diffusion according to the gaseous, liquid or viscous nature of the reagent used.
Lorsque le liquide à traiter pénètre dans la chambre de réaction 5, il se trouve soumis à l'action simultanée de la cavitation et des réactifs provenant des injecteurs 60 et 61 et/ou de la paroi 82 du cylindre de diffusion 8. When the liquid to be treated enters the reaction chamber 5, it is subjected to the simultaneous action of cavitation and of the reagents coming from the injectors 60 and 61 and / or from the wall 82 of the diffusion cylinder 8.
Le piston 9 est claveté sur un tourillon 93 fixé à une vis 94 munie d'un système d'entrainement 95. La rotation de la vis 94 entraine son déplacement vertical. The piston 9 is keyed onto a journal 93 fixed to a screw 94 provided with a drive system 95. The rotation of the screw 94 causes it to move vertically.
Les joints toriques 97 assurent l'étanchéité du système.The O-rings 97 seal the system.
I1 porte, à sa partie supérieure, une couronne 90 qui coulisse à l'extérieur du cylindre de diffusion 8 avec un léger jeu et un capteur de vibrations 91 destiné à mesurer l'intensité de la cavitation existant dans la chambre de réaction 5. Des conducteurs 92, passant dans un canal axial 96 ménagé dans le piston 9, le tourillon 93 et la vis 94, conduisent le signal vers un système électronique 14 de contrôle et de régulation. I1 carries, at its upper part, a crown 90 which slides outside the diffusion cylinder 8 with a slight clearance and a vibration sensor 91 intended to measure the intensity of the cavitation existing in the reaction chamber 5. Des conductors 92, passing through an axial channel 96 formed in the piston 9, the journal 93 and the screw 94, conduct the signal to an electronic control and regulation system 14.
Lorsque le niveau de la surface libre 40 du liquide contenu dans le réacteur 1 varie, la partie émettrice 6 du résonateur 7 se trouve plus ou moins immergée. Le contrôle de ce niveau 40 peut être effectué soit par la jauge 29 soit par une légère variation de pression consécutive à une entre ou une sortie de gaz par la tubulure 13. When the level of the free surface 40 of the liquid contained in the reactor 1 varies, the emitting part 6 of the resonator 7 is more or less submerged. The control of this level 40 can be carried out either by the gauge 29 or by a slight variation in pressure following an inlet or an outlet of gas through the pipe 13.
La tubulure 13 est reliée à un système de contrôle de la pression comportant le système électronique 14 de commande et de régulation, deux électrovannes 20 et 23, une pompe 21, un tuyau d'évacuation 22 et une réserve de gaz sous pression 24. The pipe 13 is connected to a pressure control system comprising the electronic control and regulation system 14, two solenoid valves 20 and 23, a pump 21, a discharge pipe 22 and a reserve of pressurized gas 24.
Le système électronique 14 est connecté à la jauge 29 et au capteur de pression 15 et au capteur de vibrations 91; il est muni d'un tableau d'affichage 18 donnant les valeurs de la pression de consigne et de la pression mesurée par le capteur 15. I1 possède deux modes de fonctionnement, l'un manuel et l'autre automatique, sélectionnés au moyen du commutateur 17. The electronic system 14 is connected to the gauge 29 and to the pressure sensor 15 and to the vibration sensor 91; it is provided with a display panel 18 giving the values of the set pressure and of the pressure measured by the sensor 15. It has two operating modes, one manual and the other automatic, selected by means of the switch 17.
En mode manuel, un réglage électronique 16 permet de fixer une valeur de consigne de la pression et/ou du niveau de jauge. In manual mode, an electronic adjustment 16 makes it possible to set a pressure and / or gauge level setpoint.
Lorsque la pression et/ou le niveau 40 dépassent la valeur consignée, soit par suite d'un excédent de réactif gazeux soit parce que les réactions chimiques dans la chambre de réaction 5 produisent un dégagement gazeux, le système électronique 14 met la pompe 21 en fonctionnement, puis commande l'ouverture de la vanne 20 de fa çon à évacuer le gaz excédentaire.When the pressure and / or level 40 exceeds the set value, either as a result of an excess of gaseous reagent or because the chemical reactions in the reaction chamber 5 produce a gassing, the electronic system 14 switches on the pump 21 operation, then controls the opening of the valve 20 so as to evacuate the excess gas.
Inversement, lorsque la pression et/ou le niveau 40 descendent au-dessous de la valeur de consigne, le disposif électronique 14 commande l'ouverture de la vanne 23 de façon à ramener la pression et/ou le niveau jusqu'à la valeur de consigne par introduction contrôlée de gaz sous pression. Conversely, when the pressure and / or the level 40 drops below the set value, the electronic device 14 controls the opening of the valve 23 so as to reduce the pressure and / or the level to the value of setpoint by controlled introduction of gas under pressure.
En mode asservi, le cicuit électronique 14 de commande analyse le signal qu'il reçoit du capteur 91 et dont l'amplitude est proportionnelle à l'intensité de la cavitation engendrée par la partie immergée de l'extrémité 6 du résonateur 7. Si l'amplitude de ce signal vient à diminuer en dessous d'un certain seuil, il commande un cycle de variation de la pression gazeuse par action sur la pompe 21 et les électrovannes 20 et 23 de façon à rechercher la profondeur d'immersion optimale de la partie émettrice 6. In controlled mode, the electronic control circuit 14 controls the signal it receives from the sensor 91 and whose amplitude is proportional to the intensity of the cavitation generated by the submerged part of the end 6 of the resonator 7. If the amplitude of this signal decreases below a certain threshold, it controls a cycle of variation of the gas pressure by action on the pump 21 and the solenoid valves 20 and 23 so as to seek the optimum immersion depth of the transmitting party 6.
Une soupape de sécurité 28 complète l'équipement du réacteur 1. A safety valve 28 completes the equipment of reactor 1.
Le réacteur est enfin équipé d'un système de préchauffage et de régulation de la température comportant le capteur 30, le circuit électronique de commande 31, l'élément chauffant 32 et l'échangeur 33, dont le but est de maintenir les produits traités dans le réacteur 1 à la température optimale pour le traitement effectué, avec la dépense minimale d'énergie calorifique. The reactor is finally equipped with a preheating and temperature regulation system comprising the sensor 30, the electronic control circuit 31, the heating element 32 and the exchanger 33, the purpose of which is to keep the products treated in reactor 1 at the optimum temperature for the treatment carried out, with the minimum expenditure of heat energy.
Un réacteur peut traiter, selon les cas, de 0,2 à 1 m3/heure. Plusieurs réacteurs peuvent être placés en parallèle pour augmenter le débit ou en série ou pour accroître l'efficacité. A reactor can treat, depending on the case, from 0.2 to 1 m3 / hour. Several reactors can be placed in parallel to increase the flow rate or in series or to increase efficiency.
Les matériaux et les structures délimitant la chambre de réaction sont choisis de façon à réfléchir les vibrations en les absorbant aussi peu que possible. The materials and structures delimiting the reaction chamber are chosen so as to reflect the vibrations by absorbing them as little as possible.
En conclusion, le dispositif selon l'invention permet d'étendre le champ d'application de la cavitation ultrasonore, soit par la seule action cavitationnelle, soit par l'action simultanée de la cavitation et de réactifs chimiques appropriés: - à la potabilisation des eaux alimentaires, - à la désinfection ou l'assainissement des eaux recyclées, - à la destruction de certains micro-organismes et à la préparation sélective de cultures destinées soit à des recherches de laboratoire, soit à la mise en oeuvre de fermentations industrielles, - à l'activation de certaines réactions chimiques lentes comme l'hydrolyse, l'estérification, la solubilisation d'oxydes ou à la réalisation d'autres réactions chimiques comme les réactions en phases hétérogènes, - à l'émulsification et à l'hydrolyse des déchets graisseux contenus dans les eaux résiduaires, en vue de leur élimination In conclusion, the device according to the invention makes it possible to extend the field of application of ultrasonic cavitation, either by the only cavitation action, or by the simultaneous action of cavitation and of suitable chemical reagents: - for the potabilization of edible water, - for the disinfection or sanitation of recycled water, - for the destruction of certain micro-organisms and for the selective preparation of cultures intended either for laboratory research or for the implementation of industrial fermentations, - to the activation of certain slow chemical reactions such as hydrolysis, esterification, the solubilization of oxides or to the performance of other chemical reactions such as reactions in heterogeneous phases, - to the emulsification and hydrolysis of greasy waste contained in waste water, for disposal
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9109907A FR2679790A1 (en) | 1991-08-02 | 1991-08-02 | Physicochemical reactor with ultrasonic cavitation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9109907A FR2679790A1 (en) | 1991-08-02 | 1991-08-02 | Physicochemical reactor with ultrasonic cavitation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2679790A1 true FR2679790A1 (en) | 1993-02-05 |
Family
ID=9415908
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9109907A Pending FR2679790A1 (en) | 1991-08-02 | 1991-08-02 | Physicochemical reactor with ultrasonic cavitation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2679790A1 (en) |
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1991
- 1991-08-02 FR FR9109907A patent/FR2679790A1/en active Pending
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