FR2996781A1 - Saturateur permettant l'injection d'un gaz dans un liquide - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un saturateur (1) permettant l'injection d'un gaz dans un liquide, comprenant un corps (2) dans lequel circule un flux de liquide depuis, en amont, au moins un orifice d'entrée (3) vers au moins un orifice de sortie (4) situé en aval, ledit corps (2) comportant au moins un dispositif d'injection de gaz (5) en amont et dans l'axe (7) d'un noyau central (6) de dispersion dudit gaz au sein dudit liquide. Ledit saturateur (1) est caractérisé en ce que le dispositif d'injection de gaz (5) est situé à une distance du noyau central (6) suffisamment réduite pour éviter que ledit gaz emprunte des chemins préférentiels entre le dispositif d'injection de gaz (5) et le noyau central (6).

Description

La présente invention concerne le domaine des dispositifs permettant une injection et une dispersion de gaz dans un liquide quelconque, ces dispositifs étant notamment désignés sous le terme de « saturateur » car ils permettent une saturation d'un liquide par un gaz. La présente invention trouvera son application principalement dans le domaine des installations destinées notamment à permettre l'injection de gaz dans un liquide, par exemple, mais non limitativement, une injection de dioxyde de carbone CO2 pour la carbonatation dudit liquide. Traditionnellement, les saturateurs connus dans l'état de la technique sont constitués d'un corps avec une entrée et une sortie et à l'intérieur duquel circule un flux de liquide. Ils comportent également un dispositif permettant l'injection d'un gaz dans ce liquide. De manière à favoriser la dissolution du gaz, différents moyens sont mis en oeuvre en aval du dispositif d'injection, en particulier des moyens augmentant la turbulence et donc le contact entre les bulles de gaz avec le liquide.

Ainsi, on connait par exemple le document de brevet EP 2 060 318, dans lequel il est décrit un saturateur comprenant un diffuseur de gaz situé en amont d'une chambre de turbulences. Selon un autre état de la technique, correspondant au document de brevet FR 2 949 355, il est connu de ménager sur les 25 parois internes du corps du saturateur des saillies annulaires de turbulence, et d'implanter axialement dans ce saturateur un noyau central de dispersion, les deux définissant des anneaux de turbulence. Dans ce document FR 2 949 355, le dispositif d'injection de 30 gaz comporte un dispositif anti-retour à membrane présentant une forme tubulaire et entourant des orifices répartis en couronne sur un diffuseur creux, sensiblement cylindrique et fermé à son extrémité inférieure. Ce dispositif d'injection est placé à une certaine distance en amont du noyau central prévu réglable 35 axialement, notamment par l'intermédiaire d'un dispositif de réglage par téton fileté. En somme ce noyau, avec les saillies annulaires, agit tel un clapet et, selon son positionnement axial, il vient diminuer ou augmenter la section de passage annulaire du liquide. Il en résulte, par conséquent, une augmentation ou une diminution de la perte de charge au travers du saturateur, permettant d'optimiser la dissolution du gaz au sein du liquide. On s'est aperçu qu'un tel saturateur, très performant en soi, pouvait encore être amélioré dans ses performances tout en étant simplifié dans sa conception, en somme que ce saturateur 10 était susceptible d'être encore amélioré. C'est dans le cadre d'une démarche inventive que l'on a pu constater que l'inconvénient principal des saturateurs existants résulte de chemins préférentiels, empruntés au travers du saturateur par le gaz injecté au sein du liquide. La conséquence 15 de la présence de ces chemins préférentiels est une répartition et une stabilité non satisfaisante du gaz dans le liquide. Dans le cas particulier où le gaz injecté dans le liquide consiste en du CO2, une stabilité insuffisante du gaz entraine un fort dégorgement, ou une suractivité, à l'ouverture de la 20 bouteille renfermant le liquide. De plus, si le liquide n'est pas consommé rapidement après ouverture, la quantité de gaz contenue dans ledit liquide diminue rapidement jusqu'à être quasiment nulle, ce qui est peu agréable pour le consommateur. Un autre inconvénient réside dans le fait que, lorsque le 25 débit de liquide au sein du saturateur est faible, le gaz et le liquide, en raison de leur différence de densité et de vitesse, ont tendance à former un mélange diphasique en amont des moyens de turbulence. En conséquence, le gaz aura tendance à se diriger, puis à s'accumuler, en partie supérieure du saturateur, 30 ce qui entraine une répartition non homogène dudit gaz au sein du liquide, et donc un rendement de dissolution faible. Dans une seconde démarche inventive, il a été mis en évidence l'importance de la distance séparant le dispositif d'injection des moyens de dissolution et en particulier du noyau 35 central de dispersion, pour remédier à ces problèmes résultants de chemins préférentiels du gaz dans le saturateur.

L'invention offre donc la possibilité de pallier les divers inconvénients de l'état de la technique en proposant un saturateur dans lequel la distance entre le dispositif d'injection de gaz et le noyau central est réduite par rapport à la distance qui existe traditionnellement entre ces deux éléments d'un saturateur. A cet effet, la présente invention concerne un saturateur permettant l'injection d'un gaz dans un liquide, comprenant un corps dans lequel circule un flux de liquide depuis, en amont, au moins un orifice d'entrée vers au moins un orifice de sortie situé en aval, ledit corps comportant au moins un dispositif d'injection de gaz en amont et dans l'axe d'un noyau central de dispersion dudit gaz au sein dudit liquide. Le saturateur selon l'invention est caractérisé par le fait que le dispositif d'injection de gaz est situé à une distance du noyau central suffisamment réduite pour éviter que ledit gaz emprunte des chemins préférentiels entre le dispositif d'injection de gaz et le noyau central. Plus particulièrement, cette distance entre le dispositif 20 d'injection de gaz et le noyau central peut être inférieure à 50 mm, de préférence inférieure ou égale à 25 mm, de préférence inférieure ou égale à 10 mm. Selon un mode de réalisation tout à fait intéressant, le dispositif d'injection de gaz constitue des moyens de fixation 25 et de maintien du noyau central en position axiale dans le corps dudit saturateur. De manière avantageuse, le dispositif d'injection de gaz constitue un moyen de réglage du positionnement axial du noyau central dans le corps dudit saturateur. 30 Selon une autre particularité de l'invention, le noyau central défini, avec la paroi interne du corps du saturateur, au moins un anneau de turbulence. Plus particulièrement, un anneau de turbulence est défini d'une part par deux saillies circulaires successives décalées 35 axialement le long de la paroi interne du corps du saturateur et d'autre part par deux rebords périphériques du noyau central agissant chacun avec une saillie circulaire de sorte à former un clapet et un siège de soupape. De manière intéressante, le corps dudit saturateur peut être composé d'un ou plusieurs modules, chaque module comportant un corps tubulaire et un noyau central pourvu à au moins une extrémité de moyens de raccordement à un autre module et/ou un module d'injection et/ou un module de sortie et/ou un manchon d'entrée et/ou un manchon de sortie. La présente invention comporte de nombreux avantages. D'une part, le dispositif selon l'invention permet de contrecarrer de manière substantielle la création de chemins préférentiels empruntés par le gaz au travers du saturateur. De ce fait, le présent dispositif permet une répartition et une dissolution optimale dudit gaz dans le liquide. D'autre part, le saturateur selon l'invention permet également d'empêcher la formation d'un mélange diphasique entre le gaz et le liquide en amont des moyens de turbulence, une telle formation défavorisant également une dissolution satisfaisante du gaz au sein du liquide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence à l'unique figure annexée représentant schématiquement une vue en coupe transversale de l'un des modes de réalisation du saturateur selon l'invention.

Tel que représentée sur la figure 1, la présente invention concerne un saturateur 1 destiné à permettre l'injection d'un gaz dans un liquide. Le présent saturateur 1 est destiné plus particulièrement à être intégré à une installation permettant notamment la 30 carbonatation d'un liquide et/ou l'extraction d'un gaz contenu dans un liquide. On entend par le terme « carbonatation » le fait de dissoudre du dioxyde de carbone CO2 dans un liquide. En ce qui concerne l'extraction d'un gaz dissout dans un liquide, celle-ci 35 est effectuée traditionnellement par addition d'un second gaz, appelé gaz d'entrainement, dans ce liquide. Le gaz dissout à extraire peut notamment consister en du dioxygène 02 ; dans ce cas, l'élimination de ce gaz dissout est appelée « désaération », ou « désoxygénation ». Le gaz qui est injecté dans le liquide, par l'intermédiaire du saturateur 1 selon l'invention, peut être quelconque. Il peut notamment consister en du dioxyde de carbone CO2, du diazote N2r ou bien encore en du dioxygène 02. Il est également possible d'injecter, dans un liquide, un mélange composé de plusieurs de ces gaz.

Le liquide dans lequel est injecté le gaz peut également être de tout type ; par exemple, ledit liquide peut consister en une boisson quelconque, avec ou sans pulpes, carbonatée ou non, telle que notamment du jus de fruits, du vin, du cidre, du lait, de la bière, du sirop, de l'eau, ou encore en un mélange incorporant plusieurs de ces liquides, comme par exemple un mélange constitué par de l'eau et un sirop. Ce liquide peut également consister, par exemple, en de la soupe, de la sauce, un soda ou de la limonade. Lorsque le gaz injecté dans le liquide par l'intermédiaire du présent saturateur 1 consiste en du dioxyde de carbone CO2, ledit saturateur 1 permet de carbonater ledit liquide par dissolution du CO2 dans celui-ci ; on obtient ainsi une boisson gazeuse, comme par exemple de l'eau gazeuse dans le cas où le liquide consiste en de l'eau.

Selon un autre exemple d'application de l'invention, le gaz injecté dans le liquide peut consister en du diazote N2. Dans ce cas de figure, ledit liquide peut ensuite être acheminé vers un dispositif destiné à permettre un entrainement par exemple du dioxygène 02, naturellement présent et dissout dans le liquide.

L'entrainement du dioxygène est donc facilité par le diazote N2 dissout par l'intermédiaire du saturateur 1. Cela permet avantageusement de diminuer considérablement la concentration de dioxygène 02 présent au départ dans le liquide, et ainsi d'éviter les phénomènes d'oxydation pouvant résulter de la présence de ce gaz dans le liquide.

Pour en revenir à présent au saturateur 1 en lui-même, celui-ci comporte un corps 2, de préférence sensiblement tubulaire, au travers duquel circule un flux de liquide quelconque.

Ledit flux de liquide traverse le corps 2 du saturateur 1 depuis au moins un orifice d'entrée 3 amont vers au moins un orifice de sortie 4, situé en aval par rapport audit orifice d'entrée 3. Le corps 2 du saturateur 1 selon la présente invention comporte également au moins un dispositif d'injection de gaz 5 situé en amont de moyens de dissolution. Un tel dispositif d'injection de gaz 5 est préféré à un dispositif d'aspiration par effet Venturi, qui pourrait également permettre une dissolution du gaz dans un liquide, mais avec lequel cette dissolution serait moins efficace. De plus, en aval de ce dispositif d'injection 5 peut être placé un noyau central 6, ce dernier étant plus particulièrement destiné à favoriser une diffusion du gaz injecté dans ledit liquide.

Selon un mode de réalisation avantageux, le corps 2 du saturateur 1, de section tubulaire, s'étend de manière symétrique autour d'un axe 7 entre son entrée 3 et sa sortie 4, ledit dispositif d'injection 5 et le noyau central 6 étant eux-mêmes disposés de manière axiale dans ce corps 2 dudit saturateur 1. De façon particulièrement originale, le dispositif d'injection de gaz 5 est situé, en amont du noyau central 6, à une distance suffisamment faible pour que le gaz injecté d'une part n'emprunte pas de chemins préférentiels au sein du liquide entre le dispositif d'injection 5 et ledit noyau 6 et d'autre part diffuse de manière sensiblement régulière et homogène dans l'espace annulaire autour de ce dernier. Plus précisément, selon un mode de réalisation particulier, cette distance entre le dispositif d'injection 5 et ledit noyau 35 central 6 est inférieure à 50 mm. Préférentiellement, cette distance est inférieure ou égale à 25 mm et plus préférentiellement encore, la distance entre le dispositif 5 et le noyau 6 est inférieure ou égale à 10 mm. Préférentiellement, le dispositif d'injection de gaz 5 comporte une buse d'injection 8 cylindrique dont l'axe est confondu avec l'axe 7 du corps 2 du saturateur 1, ladite buse d'injection 8 comportant au moins, à son extrémité, un orifice d'injection de gaz dans l'axe 7 du corps 2 dudit saturateur 1, ledit orifice d'injection étant situé à la distance précitée du noyau central 6.

Selon un autre mode de réalisation, qui est celui représenté sur la figure annexée, la buse d'injection 8 comporte, au niveau de sa périphérie et à la distance précitée par rapport au noyau central 6, des orifices d'injection 9 de gaz avantageusement répartis de manière régulière autour de ladite buse 8. De façon préférentielle, ladite buse d'injection 8 comporte des moyens de raccordement à une alimentation externe en gaz. En particulier, ces moyens de raccordement sont définis par un conduit de raccordement 10 traversant la paroi du corps 2 du saturateur 1. Ainsi, ces moyens de raccordement constituent des moyens de maintien et de positionnement axial de la buse d'injection 8 dans le corps 2 du saturateur 1. De manière avantageuse, le dispositif d'injection 5 25 constitue substantiellement des moyens de fixation et de maintien du noyau central 6 en position axiale dans le corps 2 du saturateur 1. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux du saturateur 1, le noyau central 6 est fixé sur l'extrémité avale 30 de la buse d'injection 8. Plus particulièrement encore, ladite buse d'injection 8 est prolongée, au-delà du ou des orifices d'injection 9, par un embout 11 de fixation du noyau central 6. Selon encore un autre mode de réalisation, le saturateur 1 35 selon l'invention comporte des moyens de réglage du positionnement axial du noyau central 6 à l'intérieur du corps 2 dudit saturateur 1. Avantageusement, ces moyens de réglage sont constitués par l'embout 11 de fixation associé à la buse d'injection 8.

Tout particulièrement, cet embout de fixation 11 est défini sous forme d'une tige filetée sur laquelle vient se visser le noyau central 6 au travers d'un trou taraudé de section adaptée, celui-ci étant ménagé axialement au niveau de l'extrémité amont du noyau central 6.

De façon particulièrement avantageuse, ledit noyau central 6 du saturateur 1 définit, avec la paroi interne 12 du corps 2 dudit saturateur 1, au moins un anneau de turbulence 13. Un tel anneau de turbulence 13 est plus précisément défini d'une part au niveau de la paroi interne 12 du corps 2 du saturateur 1 par deux saillies 14, 141 circulaires successives et décalées axialement le long de cette paroi interne 12 et, d'autre part, au niveau du noyau central 6 par deux rebords 15, 151 agissant chacun respectivement avec une saillie circulaire 14, 141, à la manière d'un clapet et d'un siège de soupape.

Comme visible sur la figure annexée, entre ces deux saillies circulaires 14, 141 successives et ces deux rebords 15, 151 du noyau central 6, il apparait un espace annulaire correspondant audit anneau de turbulence 13. Le noyau central 6 peut alors agir de bas en haut ou de 25 haut en bas, un rebord 15, 151 et une saillie circulaire 14, 141 pouvant alors coopérer conjointement, l'un étant disposé au dessus de l'autre comme cela apparait sur la figure annexée. Selon un mode de réalisation avantageux, non visible sur la figure annexée, entre deux saillies circulaires 14, 141, la 30 paroi interne 12 du corps 2 du saturateur 1 peut être configurée en forme d'une ou plusieurs cavités, ces dernières contribuant là encore à augmenter l'effet de turbulence recherché pour une bonne dissolution du gaz au sein du liquide. De façon avantageuse, le saturateur 1 selon l'invention 35 peut encore comporter au moins un moyen d'injection d'un composant complémentaire dans le liquide circulant dans ledit saturateur, ce composant pouvant notamment consister en un floculant ou en un coagulant. La présente invention concerne également un saturateur 1 dont le corps est composé de plusieurs modules adjacents, chacun 5 de ces modules comportant au moins, d'une part, un corps tubulaire 2 et, d'autre part, un noyau central 6. De plus ces modules adjacents sont préférentiellement pourvus à au moins l'une de leurs extrémités amont et/ou avale de moyens de raccordement permettant un raccordement d'un module 10 à un module précédent et/ou un module suivant. De tels moyens de raccordement peuvent emprunter la forme de brides de raccordement bien connues par l'homme du métier. Avantageusement, le premier module, situé en amont du ou des modules suivants, forme un module d'injection avec l'orifice 15 d'entrée amont 3 et comporte au moins un dispositif d'injection de gaz 5. Le dernier module, situé en aval des autres modules, constitue quant à lui un module de sortie avec un orifice de sortie aval 4. Ainsi, par exemple, lorsque le saturateur 1 comporte trois 20 modules adjacents, c'est-à-dire un module d'injection, un module intermédiaire et un module de sortie, ledit module intermédiaire comporte, d'une part, au niveau de son extrémité amont, des moyens de raccordement au module d'injection et, au niveau de son extrémité avale, des moyens de raccordement au module de 25 sortie. Toutefois selon un mode de réalisation préférentiel, tous les modules à noyau central 6 sont identiques, le saturateur 1 comportant en outre un manchon d'entrée avec un orifice d'entrée amont 3 et équipé d'un dispositif d'injection 5, ainsi qu'un 30 manchon de sortie pourvu d'un orifice de sortie aval 4. La figure 1 illustre encore une combinaison de ces deux solutions, le saturateur 1 étant constitué d'un manchon d'entrée avec orifice d'entrée 3 et dispositif d'injection 5 et un module de sortie, comportant, lui, un corps tubulaire 2 avec 35 noyau central 6 et un orifice de sortie 4. Entre ce manchon d'entrée et le module de sortie sont susceptibles d'être - 10 - intercalés un ou plusieurs modules intermédiaires. Cette solution présente l'avantage de faciliter l'assemblage ; en effet, sur le manchon d'entrée peuvent être fixés les noyaux centraux 6, eux-mêmes connectables entre eux, grâce à des moyens de raccordement adaptés, notamment de type vissage ou similaires. De la sorte chaque module peut former un étage de dissolution, le saturateur 1 comportant autant d'étages que souhaité.

A noter au passage, que chaque étage peut lui-même comprendre un ou plusieurs anneaux de turbulence 13. En ce qui concerne à présent les différentes applications du saturateur 1 selon la présente invention, celui-ci peut notamment être intégré à une installation plus complexe destinée à permettre la carbonatation de liquides, à partir de constituants liquides et gazeux. Une telle installation est par exemple décrite plus en détail dans la demande de brevet français portant le numéro FR 2 949 355.

Le présent saturateur 1 peut également être inséré dans une installation destinée à permettre l'élimination d'un gaz dissout naturellement au sein d'un liquide, ledit gaz pouvant notamment consister en du dioxygène. Dans ce cas, le gaz injecté via ledit saturateur 1 sert de gaz d'entrainement au second gaz présent dans le liquide. Une telle application est notamment avantageuse dans le cas où le liquide en question consiste par exemple en du vin et que l'on souhaite désoxygéner ce dernier ; on injecte alors dans le vin du diazote N2, par l'intermédiaire du saturateur 1 selon l'invention, de manière à faciliter l'entrainement du dioxygène 02 par le N2. Le liquide à désoxygéner peut également consister en tout type de liquide. Il est également possible que l'on veuille éliminer du dioxyde de carbone CO2 présent dans un liquide, notamment dans 35 de l'eau présentant une carbonatation naturelle à la source. Dans ce cas de figure, le gaz injecté par l'intermédiaire du saturateur 1 selon l'invention peut consister notamment en du diazote N2 et/ou en du dioxygène 02 et/ou tout autre gaz et/ou mélange de gaz. Une fois l'injection de gaz par l'intermédiaire du saturateur 1 effectuée, l'entrainement du gaz dissout peut être obtenu par tout moyen connu de l'homme du métier. Traditionnellement, le liquide à désoxygéner est disposé dans une cuve, celle-ci pouvant éventuellement être mise et maintenue sous vide grâce à l'action d'une pompe à vide.

Après l'étape d'élimination d'un gaz dissout naturellement dans un liquide, il reste toujours envisageable de carbonater celui-ci, toujours par l'intermédiaire du saturateur 1 selon la présente invention. Ainsi, une installation peut comporter d'une part un premier saturateur 1 destiné à permettre une dissolution d'un gaz d'entrainement favorisant l'élimination d'un gaz naturellement présent dans un liquide et, d'autre part, en aval de ce premier saturateur 1, un second saturateur 1 pour la carbonatation de ce même liquide par dissolution de CO2 dans ce dernier.

De façon particulièrement avantageuse, et qui ressort de l'ensemble de la présente description, le saturateur 1 selon l'invention permet un meilleur rendement de dispersion du gaz dans le liquide dans lequel il est injecté, par rapport aux saturateurs traditionnellement utilisés dans l'état de la technique. Une amélioration de ce rendement est notamment due au fait que le présent saturateur 1 permet d'éviter que le gaz emprunte des chemins préférentiels avant d'atteindre le noyau central 6 dudit saturateur 1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples 30 illustrés et décrits précédemment qui peuvent présenter des variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Saturateur (1) permettant l'injection d'un gaz dans un liquide, comprenant un corps (2) dans lequel circule un flux de liquide depuis, en amont, au moins un orifice d'entrée (3) vers au moins un orifice de sortie (4) situé en aval, ledit corps (2) comportant au moins un dispositif d'injection de gaz (5) en amont et dans l'axe (7) d'un noyau central (6) de dispersion dudit gaz au sein dudit liquide, ledit saturateur (1) étant caractérisé en ce que le dispositif d'injection de gaz (5) est situé à une distance du noyau central (6) suffisamment réduite pour éviter que ledit gaz emprunte des chemins préférentiels entre le dispositif d'injection de gaz (5) et le noyau central (6).
2. 2. Saturateur (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la distance entre le dispositif d'injection de gaz (5) et le noyau central (6) est inférieure à 50 mm, de préférence inférieure ou égale à 25 mm, de préférence inférieure ou égale à 10 mm.
3. 3. Saturateur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le dispositif d'injection de gaz (5) constitue des moyens de fixation et de maintien du noyau central (6) en position axiale dans le corps (2) dudit saturateur (1).
4. 4. Saturateur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif d'injection de gaz (5) constitue un moyen de réglage du positionnement axial du noyau central (6) dans le corps (2) dudit saturateur (1).- 13 -
5. 5. Saturateur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le noyau central (6) défini, avec la paroi interne (12) du corps (2) du saturateur (1), au moins un anneau de turbulence (13).
6. 6. Saturateur (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'un anneau de turbulence (13) est défini d'une part par deux saillies (14, 141) circulaires successives décalées axialement le long de la paroi interne (12) du corps (2) du saturateur (1) et d'autre part par deux rebords périphériques (15, 151) du noyau central (6) agissant chacun avec une saillie circulaire (14) de sorte à former un clapet et un siège de soupape.
7. 7. Saturateur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le corps (2) dudit saturateur (1) est composé d'un ou plusieurs modules, chaque module comportant un corps tubulaire (2) et un noyau central (6) pourvu à au moins une extrémité de moyens de raccordement à un autre module et/ou un module d'injection et/ou un module de sortie et/ou un manchon d'entrée et/ou un manchon de sortie.