FR2941384A1 - Gas dissolving device i.e. air reactor, for clarifying water in industrial effluent treatment field, has maintaining unit to maintain liquid/gas interface inside reservoir at level so as to create gas pocket in upper part of reservoir - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE DISSOLUTION D'UN GAZ DANS UN LIQUIDE DEVICE FOR DISSOLVING A GAS IN A LIQUID
DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour dissoudre de l'air (ou tout autre gaz) dans de l'eau (ou dans un autre liquide). Il peut être également mis en oeuvre pour dissoudre un mélange de plusieurs gaz dans un mélange de plusieurs liquides. TECHNICAL FIELD The invention relates to a device for dissolving a gas in a liquid. The device according to the invention can be used to dissolve air (or any other gas) in water (or in another liquid). It can also be used to dissolve a mixture of several gases in a mixture of several liquids.
Ce type de dispositif est couramment dénommé ballon de dissolution d'air ou tube de dissolution d'air. Il est plus particulièrement destiné à la pressurisation pour la clarification d'eau par flottation à air dissous dans le domaine du traitement des effluents. Il peut être utilisé également en tant que réacteur dans certains procédés industriels. This type of device is commonly referred to as air dissolving tank or air dissolving tube. It is more particularly intended for pressurization for the clarification of water by dissolved air flotation in the field of effluent treatment. It can also be used as a reactor in certain industrial processes.
ART ANTERIEUR PRIOR ART
La solubilité des gaz dans les liquides est limitée. Elle dépend, entre autres facteurs, de la pression (loi de Henry). Ainsi, plus la pression augmente et plus la quantité de gaz susceptible d'être dissous dans le liquide augmente. Ce faisant, la dissolution d'un gaz dans un liquide peut être effectuée à la pression atmosphérique (on parle alors d'aération ou de billage), ou sous pression. Le dispositif selon l'invention concerne cette deuxième technique û la dissolution sous pression. The solubility of gases in liquids is limited. It depends, among other factors, on the pressure (Henry's law). Thus, the higher the pressure increases and the amount of gas that can be dissolved in the liquid increases. In doing so, the dissolution of a gas in a liquid can be carried out at atmospheric pressure (this is called aeration or blasting), or under pressure. The device according to the invention relates to this second technique - the dissolution under pressure.
Il existe une multitude de dispositifs de dissolution sous pression de gaz dans un liquide. Selon les techniques utilisées on retrouve les principaux types de dispositifs suivants : There is a multitude of dissolution devices under pressure of gas in a liquid. Depending on the techniques used, we find the following main types of devices:
Les pompes centrifuges : celles-ci sont le plus souvent multi étages. Le gaz est introduit à l'aspiration ou dans le premier étage de la pompe. Ainsi, il est dispersé dans le liquide 30 par la turbine, puis dissous sous l'effet de la pression. Centrifugal pumps: these are usually multi-stage. The gas is introduced at the suction or in the first stage of the pump. Thus, it is dispersed in the liquid 30 by the turbine and then dissolved under the effect of pressure.
Les tubes ou ballons de dissolution : le liquide est introduit dans le dispositif sous pression et le gaz est diffusé à l'intérieur sous forme de bulles. Le mélange assuré par la vitesse de circulation du liquide à l'intérieur du tube et la pression provoquent la 35 dissolution du gaz à travers l'échange entre la surface des bulles et le liquide, c'est-à-dire à l'interface défini par les bulles. The dissolution tubes or balloons: the liquid is introduced into the device under pressure and the gas is diffused inside in the form of bubbles. The mixture provided by the velocity of circulation of the liquid inside the tube and the pressure causes the dissolution of the gas through the exchange between the surface of the bubbles and the liquid, that is to say at the interface defined by the bubbles.
Les ballons à simple ou multiples injecteurs : le liquide est introduit sous pression dans le dispositif (ballon) par un ou plusieurs injecteurs. Une couche de gaz est maintenue en partie supérieure du ballon par un moyen quelconque. L'injecteur (ou les injecteurs) aspire le gaz depuis cette couche de gaz et l'introdui(sen)t dans une cheminée aboutissant vers le fond du ballon. En sortie de cette cheminée, le gaz aspiré remonte vers la surface sous forme de bulles. La dissolution est assurée par la pression et l'échange à travers l'interface défini par les bulles dans la cheminée et lors de la remontée des bulles de gaz depuis le fond vers la surface. Balloons with single or multiple injectors: the liquid is introduced under pressure into the device (balloon) by one or more injectors. A layer of gas is maintained in the upper part of the flask by any means. The injector (or injectors) sucks gas from this layer of gas and introduces (sen) t into a chimney leading to the bottom of the balloon. At the outlet of this chimney, the sucked gas rises to the surface in the form of bubbles. The dissolution is ensured by the pressure and the exchange through the interface defined by the bubbles in the chimney and during the rise of the gas bubbles from the bottom towards the surface.
Tous ces dispositifs ont un point commun : le gaz est dispersé dans le liquide et il y forme des bulles qui remontent rapidement vers la partie supérieure du réacteur. L'échange entre le gaz et le liquide se fait à travers la surface des bulles (l'interface bulle/liquide). Même si les bulles de gaz formées sont relativement fines (en général quelques millimètres de diamètre), leur vitesse de remontée dans le liquide est relativement importante. Cela limite la durée d'échange, et corollairement, l'efficacité de la dissolution. All these devices have one thing in common: the gas is dispersed in the liquid and forms bubbles that rise quickly to the top of the reactor. The exchange between the gas and the liquid is done through the surface of the bubbles (the bubble / liquid interface). Although the gas bubbles formed are relatively thin (generally a few millimeters in diameter), their rate of rise in the liquid is relatively high. This limits the duration of exchange, and corollary, the effectiveness of the dissolution.
En outre, les bulles ont également tendance, en raison des phénomènes de tension superficielle, à s'agglomérer rapidement pour former des bulles de plus grosse taille, ce qui limite la surface d'échange. In addition, bubbles also tend, because of surface tension phenomena, to agglomerate rapidly to form larger bubbles, which limits the exchange surface.
Il résulte ainsi, qu'afin d'aboutir au degré de dissolution souhaité, les dispositifs de ce type nécessitent souvent un volume important, dans lequel le même gaz est dispersé plusieurs fois par les injecteurs, ce qui les rend coûteux. It thus follows that in order to achieve the desired degree of dissolution, the devices of this type often require a large volume, in which the same gas is dispersed several times by the injectors, which makes them expensive.
Une autre solution consiste à fonctionner en excès de gaz, c'est-à-dire à introduire bien plus de gaz que ce qui se dissout réellement dans le liquide pour augmenter la surface d'échange. Cela entraîne une perte de gaz, car l'excès de gaz non dissous doit être purgé pour ne pas remplir tout le volume avec le gaz. Another solution is to operate in excess of gas, that is to say to introduce much more gas than actually dissolves in the liquid to increase the exchange surface. This leads to a loss of gas because the excess undissolved gas must be purged to not fill the entire volume with the gas.
D'une manière générale, dans les dispositifs de l'art antérieur, la surface d'échange est limitée car il s'agit toujours de dissoudre peu de gaz dans beaucoup de liquide, d'où la faible quantité de gaz et donc de bulles circulant dans le liquide. 30 EXPOSE DE L'INVENTION In general, in the devices of the prior art, the exchange surface is limited because it is always a question of dissolving little gas in a lot of liquid, hence the small amount of gas and therefore of bubbles flowing in the liquid. SUMMARY OF THE INVENTION
Le dispositif selon l'invention est du même type que les dispositifs ballons et tubes décrits précédemment. Néanmoins, la structure du dispositif visé permet la mise en oeuvre d'une technique de dissolution différente qui consiste à disperser le liquide dans un volume de gaz et non pas l'inverse - disperser le gaz dans un volume de liquide comme décrit ci-dessus. Cette technique permet d'augmenter considérablement la surface d'échange entre le liquide et le gaz et, par conséquent, d'augmenter l'efficacité de la dissolution, de réduire le volume du réacteur et d'éviter les pertes de gaz. The device according to the invention is of the same type as the balloon and tube devices described above. Nevertheless, the structure of the targeted device allows the implementation of a different dissolution technique which consists of dispersing the liquid in a volume of gas and not the opposite - disperse the gas in a volume of liquid as described above . This technique makes it possible to considerably increase the exchange surface area between the liquid and the gas and, consequently, to increase the efficiency of the dissolution, to reduce the volume of the reactor and to avoid gas losses.
A cet effet, le dispositif de dissolution d'un gaz dans un liquide sous pression selon l'invention, comprend : - un réservoir équipé d'une entrée de liquide disposée en partie supérieure du réservoir, apte à introduire le liquide au sein du réservoir à une certaine vitesse et à l'étaler en couche fine au sein du réservoir ; - des moyens de dispersion du liquide ainsi étalé, disposé sur la trajectoire du liquide, aptes à disperser ledit liquide après son entrée dans le réservoir ; - une sortie de liquide disposée en partie inférieure du réservoir ; - des moyens aptes à maintenir l'interface gaz/liquide à l'intérieur du réservoir à un niveau tel qu'il permette de créer une poche de gaz en partie supérieure du réservoir. For this purpose, the device for dissolving a gas in a pressurized liquid according to the invention comprises: a tank equipped with a liquid inlet disposed in the upper part of the tank, capable of introducing the liquid into the tank; at a certain speed and spread it thinly in the tank; dispersion means of the liquid thus spread, arranged on the path of the liquid, able to disperse said liquid after entering the reservoir; - A liquid outlet disposed in the lower part of the tank; means capable of maintaining the gas / liquid interface inside the tank at a level such that it makes it possible to create a gas pocket in the upper part of the tank.
Selon l'invention, la surface sur laquelle le liquide est étalé peut être constituée par la paroi interne du réservoir, ou par une surface autre que la paroi interne du réservoir, située à l'intérieur de ce dernier et sur la trajectoire du liquide. According to the invention, the surface on which the liquid is spread can be constituted by the inner wall of the tank, or by a surface other than the inner wall of the tank, located inside the latter and on the path of the liquid.
Selon l'invention, les moyens de dispersion du liquide sont constitués par une pluralité de barrettes, de palles ou tout autre obstacle mécanique aptes à dévier le liquide de sa trajectoire lors de son introduction au sein du réservoir et de le disperser dans la poche de gaz créée en partie supérieure du réservoir. According to the invention, the liquid dispersion means consist of a plurality of bars, blades or any other mechanical obstacle capable of deflecting the liquid from its trajectory when it is introduced into the reservoir and dispersing it in the pocket. gas created in the upper part of the tank.
Ces moyens de dispersion peuvent être fixés sur la paroi au niveau de laquelle le liquide est étalé en couche fine, ou peuvent être indépendants de la paroi sur laquelle le liquide est étalé en couche fine. 335 Selon l'invention, les moyens aptes à maintenir l'interface gaz/liquide à un niveau déterminé sont constitués d'une canalisation de purge du gaz excédentaire débouchant au sein du réservoir et munie d'une vanne de régulation du débit de purge, et d'une vanne montée sur la sortie de liquide. BREVE DESC RIPTION DES FIGURES These dispersing means may be attached to the wall at which the liquid is spread in a thin layer, or may be independent of the wall on which the liquid is spread in a thin layer. According to the invention, the means able to maintain the gas / liquid interface at a given level consist of a purge pipe of the excess gas opening into the tank and provided with a purge flow control valve, and a valve mounted on the liquid outlet. BRIEF DESC RIPTION OF FIGURES
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non 10 limitatif, à l'appui des figures annexées. The way in which the invention can be realized and the advantages which result therefrom, will emerge more clearly from the following exemplary embodiments, given as an indication and not a limitation, in support of the appended figures.
La figure 1 est une représentation schématique en section transversale du dispositif de dissolution conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique en section verticale du dispositif de 15 dissolution de la figure 1. La figure 3 est une représentation schématique en section transversale d'une autre forme de réalisation du dispositif de dissolution conforme à l'invention. La figure 4 est une représentation schématique en section verticale du dispositif de dissolution de la figure 3. 20 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Figure 1 is a schematic cross-sectional representation of the dissolution device according to the invention. FIG. 2 is a diagrammatic representation in vertical section of the dissolution device of FIG. 1. FIG. 3 is a diagrammatic cross-sectional representation of another embodiment of the dissolution device according to the invention. Figure 4 is a diagrammatic representation in vertical section of the dissolution device of Figure 3. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Selon une première forme de réalisation de l'invention plus particulièrement décrite en relation avec les figures 1 et 2, le dispositif de dissolution, appelé par la suite le 25 réacteur , comprend un réservoir cylindrique fermé (1) équipé d'une tuyauterie d'entrée de liquide (2) située en partie supérieure du réservoir (1). Il comprend également une entrée de gaz (3) et une tuyauterie de sortie du liquide (6) située en bas du réservoir. According to a first embodiment of the invention more particularly described in relation to FIGS. 1 and 2, the dissolution device, hereinafter referred to as the reactor, comprises a closed cylindrical reservoir (1) equipped with a pipe of liquid inlet (2) located in the upper part of the tank (1). It also includes a gas inlet (3) and a liquid outlet pipe (6) located at the bottom of the tank.
30 L'entrée du liquide (2) est dimensionnée de façon à introduire le liquide dans le réservoir (1) à une certaine vitesse. Elle est disposée tangentiellement par rapport au corps cylindrique du réservoir de façon à ce que le liquide introduit dans le réservoir (1) effectue un mouvement de rotation en spirale autour de l'axe de révolution du réservoir (1) par l'effet de la force centrifuge. 35 Avantageusement, la face interne du réservoir (1) comporte en zone supérieure de la paroi latérale le définissant une pluralité de barrettes (7) s'étendant vers l'intérieur du réservoir (1) depuis ladite face interne, et qui jouent le rôle d'obstacles sur le trajet du liquide circulant en spirale sur la paroi interne dudit réservoir. Le dispositif selon l'invention fonctionne de la manière suivante : The liquid inlet (2) is dimensioned so as to introduce the liquid into the reservoir (1) at a certain speed. It is arranged tangentially with respect to the cylindrical body of the reservoir so that the liquid introduced into the reservoir (1) rotates in a spiral around the axis of revolution of the reservoir (1) by the effect of the centrifugal force. Advantageously, the inner face of the tank (1) comprises in the upper zone of the side wall defining a plurality of bars (7) extending inwardly of the tank (1) from said inner face, and which play the role obstacles on the path of the liquid circulating in spiral on the inner wall of said tank. The device according to the invention operates as follows:
Le réacteur est alimenté en liquide par l'entrée (2) qui introduit ce dernier vers la partie supérieure du réacteur. Le liquide est introduit à une certaine vitesse permettant, grâce à 10 la force centrifuge, de plaquer ce dernier contre la paroi interne du réacteur et de l'étaler ainsi en couche fine. Le gaz à dissoudre est introduit dans le réservoir (1) par l'entrée de gaz (3). Ce gaz forme une poche en partie supérieure du réservoir (1). Le niveau inférieur de cette poche est déterminé par l'extrémité (5) d'un tuyau de purge de gaz excédentaire (4). 15 Des vannes de régulation (8) et (9), respectivement positionnées sur la tuyauterie de sortie de liquide (6) et sur la canalisation de purge de gaz excédentaire (4) permettent de maintenir le réservoir (1) sous pression et de réguler respectivement le débit du liquide traversant le réacteur et le débit de purge du gaz, de façon à maintenir le niveau du 20 liquide dans le réservoir au niveau de l'orifice (5). The reactor is supplied with liquid by the inlet (2) which introduces the latter to the upper part of the reactor. The liquid is introduced at a certain speed which makes it possible, thanks to the centrifugal force, to press the latter against the inner wall of the reactor and thus to spread it in a thin layer. The gas to be dissolved is introduced into the tank (1) via the gas inlet (3). This gas forms a pocket in the upper part of the tank (1). The lower level of this pocket is determined by the end (5) of an excess gas purge pipe (4). Regulating valves (8) and (9) respectively positioned on the liquid outlet pipe (6) and the excess gas purge pipe (4) serve to maintain the tank (1) under pressure and to regulate respectively the flow rate of the liquid passing through the reactor and the purge rate of the gas, so as to maintain the level of the liquid in the reservoir at the orifice (5).
En tournant en spirale sur la paroi interne latérale du réservoir, le liquide rencontre les barrettes (7) qui dispersent le liquide dans la poche de gaz. Ainsi, un grand volume de liquide dispersé en petites gouttes dans la poche de gaz offre une surface d'échange bien 25 plus importante que celle offerte par la dispersion d'un petit volume de gaz dans un grand volume de liquide. By spiraling on the lateral inner wall of the tank, the liquid meets the bars (7) which disperse the liquid in the gas bag. Thus, a large volume of liquid dispersed in small drops in the gas pocket provides a much larger exchange area than that provided by the dispersion of a small volume of gas into a large volume of liquid.
Le dispositif selon l'invention peut présenter diverses variantes. Ainsi donc, le réservoir (1) peut être cylindrique, conique ou d'une autre forme. 30 Le liquide peut être étalé sur la paroi interne du réservoir (1) comme décrit ci-dessus, mais il peut être étalé aussi sur une autre surface indépendante de la paroi du réservoir. Cette surface peut avoir une forme cylindrique, conique ou spirale et être disposée de manière concentrique ou excentrique par rapport à l'axe de révolution du réservoir (1). 35 Elle peut ainsi guider le liquide vers le bas en suivant sa trajectoire naturelle, ou au contraire, le guider vers le haut pour l'obliger à retomber sur lui-même et assurer ainsi une meilleure dispersion.5 Les barrettes (7) peuvent être fixées sur la paroi sur laquelle le liquide est étalé ou sur un autre support indépendant de cette paroi. Ainsi, lesdites barrettes peuvent être fixées sur un support vertical situé selon l'axe de révolution du réservoir et s'étendre depuis ledit axe en direction de l'extérieur, c'est-à-dire en direction de la paroi du réservoir. The device according to the invention may have various variants. Thus, the reservoir (1) can be cylindrical, conical or of another form. The liquid can be spread on the inner wall of the tank (1) as described above, but it can also be spread on another surface independent of the wall of the tank. This surface may have a cylindrical, conical or spiral shape and be arranged concentrically or eccentrically with respect to the axis of revolution of the reservoir (1). It can thus guide the liquid downward along its natural trajectory, or on the contrary, guide it upwards to force it to fall back on itself and thus ensure a better dispersion. The bars (7) can be fixed on the wall on which the liquid is spread or on another support independent of this wall. Thus, said bars can be fixed on a vertical support located along the axis of revolution of the reservoir and extend from said axis in the direction of the outside, that is to say in the direction of the tank wall.
Aussi, elles peuvent être fixées sur une multitude de supports disposés plus ou moins verticalement et fixés sur la partie supérieure du réservoir (1). Also, they can be fixed on a multitude of supports arranged more or less vertically and fixed on the upper part of the tank (1).
Les barrettes (7) peuvent être disposées de façon dispersée ou bien en plusieurs rangées successives. En outre, elles peuvent être disposées perpendiculairement par rapport à la 10 trajectoire du liquide ou avec une certaine inclinaison. The bars (7) can be arranged in a dispersed manner or in several successive rows. In addition, they may be arranged perpendicular to the liquid path or at a certain inclination.
Les barrettes (7) peuvent être remplacées par des plaques, des palles ou tout autre obstacle mécanique formant un dispositif de dispersion susceptible de dévier le liquide de sa trajectoire et de le disperser dans l'ambiance gazeuse créée en partie supérieure du 15 réacteur. The bars (7) may be replaced by plates, blades or any other mechanical obstacle forming a dispersing device capable of deflecting the liquid from its path and dispersing it in the gaseous environment created in the upper part of the reactor.
L'entrée du gaz (3) peut être située n'importe où dans le réacteur, et notamment au dessus ou au dessous du niveau du liquide. Le cas échéant, le gaz peut être introduit dans le liquide en amont du dispositif selon l'invention, c'est-à-dire dans la tuyauterie 20 (2). Dans ce cas, le dispositif est dépourvu d'entrée de gaz. The gas inlet (3) can be located anywhere in the reactor, and in particular above or below the level of the liquid. If appropriate, the gas can be introduced into the liquid upstream of the device according to the invention, that is to say in the pipe 20 (2). In this case, the device is devoid of gas inlet.
Le liquide dans le réacteur peut être maintenu au niveau souhaité non pas par une purge permanente de gaz excédentaire, mais par un autre dispositif quelconque. A titre indicatif ce dispositif pourrait être composé d'un ensemble flotteur/régulateur de débit 25 du gaz qui diminue le débit du gaz lorsque le niveau du liquide baisse et vice versa. Ou encore, la vanne manuelle (9) pourrait être remplacée par un diaphragme (trou calibré) ou bien par une vanne automatique s'ouvrant périodiquement en fonction du niveau liquide dans le réacteur. The liquid in the reactor can be maintained at the desired level not by a permanent purge of excess gas, but by some other device. As an indication this device could be composed of a float / gas flow regulator assembly which decreases the gas flow when the liquid level drops and vice versa. Or, the manual valve (9) could be replaced by a diaphragm (calibrated hole) or by an automatic valve opening periodically depending on the liquid level in the reactor.
30 Selon une variante de l'invention, plus particulièrement décrite en relation avec les figures 3 et 4, le liquide est introduit non pas tangentiellement par rapport au réservoir (11), mais verticalement selon l'axe de révolution de ce dernier. Ainsi il est projeté sur la partie supérieure du réservoir (11) pour être étalé en couche fine sur cette dernière par la vitesse du liquide et par la force centrifuge si, comme représenté, ladite partie 35 supérieure est bombée. According to a variant of the invention, more particularly described in relation to FIGS. 3 and 4, the liquid is introduced not tangentially with respect to the reservoir (11), but vertically along the axis of revolution of the latter. Thus it is projected on the upper part of the tank (11) to be spread in a thin layer on the latter by the speed of the liquid and by the centrifugal force if, as shown, said upper portion is curved.
Dans ce cas, la dispersion du liquide est assurée par des barrettes (17), émanant de la face interne de la partie supérieure bombée et sensiblement dirigées en direction de l'axe de révolution du réservoir, et émanant de manière radiale de la face interne de la zone supérieure de la paroi latérale définissant le réservoir (11), à l'instar des barrettes (7) des figures 1 et 2.. Les autres éléments de ce mode de réalisation sont les mêmes que ceux du dispositif illustré au sein des figures 1 et 2. In this case, the dispersion of the liquid is ensured by bars (17), emanating from the inner face of the convex upper part and substantially directed in the direction of the axis of revolution of the tank, and emanating radially from the internal face. of the upper zone of the lateral wall defining the reservoir (11), like the bars (7) of FIGS. 1 and 2. The other elements of this embodiment are the same as those of the device illustrated in the FIGS. Figures 1 and 2.
Le fonctionnement de cette variante du dispositif est basé sur le même principe ù le liquide est étalé en couche fine sur la paroi et est dispersé finement par les barrettes 10 (17). The operation of this variant of the device is based on the same principle where the liquid is spread in a thin layer on the wall and is finely dispersed by the bars 10 (17).
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| FR2941384B1 (en) | 2011-11-04 |
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