FR3104450A1 - Procédé de dégazage d’un fluide - Google Patents
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Abstract
Procédé de dégazage d’un fluide L’invention concerne un procédé de dégazage d’un fluide comprenant les étapes suivantes : fournir, en entrée d’un réacteur comprenant au moins un conduit fluidique, un fluide pouvant comprendre au moins un gaz dissous ; puis faire s’écouler le fluide à travers le réacteur, l’au moins un conduit comprenant une portion présentant un diamètre hydraulique réduit, et l’écoulement étant paramétré de sorte que des bulles sont générées par cavitation, le fluide comprenant alors une phase liquide et une phase gazeuse ; puis permettre le transfert au moins partiel de l’au moins un gaz dissous présent dans le fluide de la phase liquide à la phase gazeuse ; séparer la phase liquide et la phase gazeuse ; et récupérer la phase liquide pour obtenir le fluide dégazé, le procédé étant exempt de l’application d’ultrasons au fluide entre l’étape dans laquelle le fluide est fourni au réacteur et l’étape de séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse.
Description
La présente invention concerne le domaine des procédés de dégazage d’un fluide, et plus particulièrement le domaine des procédés de dégazage d’un fluide par cavitation. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse l’extraction de gaz dissous dans le fluide.
ETAT DE LA TECHNIQUE
L’extraction au moins partielle des gaz dissous dans un fluide, aussi appelé dégazage, est une pratique courante, tout d’abord afin d’éviter que ces gaz ne réagissent avec d’autres composés dissous dans le fluide. Par exemple, le dioxygène dissous peut être extrait d’un solvant lorsque d’autres composés destinés à être dissous dans ce solvant sont sensibles au dioxygène. Les gaz dissous peuvent en outre être extraits d’un fluide, en amont de certaines étapes technologiques de traitement du fluide, afin d’éviter la formation de bulles pouvant être problématique pendant ces étapes technologiques. Par exemple, la formation de bulles de gaz quand un fluide est solidifié peut être indésirable.
Il existe plusieurs solutions pour dégazer un fluide. Tout d’abord, le dégazage d'un fluide peut être réalisé grâce à l'utilisation d'une réaction chimique en phase liquide. Dans l'industrie agroalimentaire, on peut citer comme exemple l'élimination du dioxygène dissous dans le vin par réaction chimique avec les sels de sulfite. Ce procédé implique toutefois l’ajout de réactifs chimiques dans le fluide à dégazer.
Il est également possible de dégazer un liquide par substitution avec un autre gaz. Ce procédé s'apparente toutefois plutôt à un remplacement des gaz dissous qu'à un dégazage.
Plusieurs procédés de dégazage visent à effectuer un transfert des gaz dissous dans une phase liquide vers une phase gazeuse, la phase liquide pouvant être séparée de la phase gazeuse pour obtenir le fluide dégazé. Un tel transfert est lié à un phénomène pouvant être modélisé par la loi de Henry. Plus particulièrement, lasolubilitéd'un gaz peut obéir àloi de Henry, c'est-à-dire que l’équilibre entre la quantité de gaz dissous en phase liquide et la quantité de gaz dans la phase gazeuse, en contact avec la phase liquide, est contrôlé par la relation suivante, pour un gaz donné:
avec xgla fraction molaire des gaz en phase gazeuse, xlla fraction molaire des gaz dissous en phase liquide, H la constante de Henry du gaz considéré, en Pa, et P la pression en phase gaz en Pa.
La loi de Henry traduit ainsi le fait que pour diminuer la fraction molaire en phase liquide des gaz dissous xl,il est possible d’augmenter la constante de Henry et/ou de diminuer la pression totale du fluide. Plusieurs procédés existent qui exploitent le phénomène susmentionné, parmi lesquels l’on trouve les procédés décrits ci-dessous.
Un premier type de procédés de dégazage connu est le dégazage par le vide. Le dégazage d'un fluide peut être réalisé grâce une diminution de pression dans une cuve étanche contenant le fluide à dégazer. Ce procédé joue sur l'abaissement de la pression partielle des gaz dans une phase gazeuse présente dans la cuve. Cette diminution de la pression partielle engendre une diminution de la fraction molaire des gaz en phase gazeuse. À travers la loi de Henry, il apparaît que, à l'interface gaz-liquide, un déséquilibre est créé qui génère le transfert des gaz dissous de la phase liquide à la phase gazeuse. Par exemple, le document US6,119,484(A) concerne un dispositif de dégazage de verre fondu par dégazage sous vide. Le désavantage principal de ce type de procédé est qu'il est généralement réalisé de façon discontinue.
Un deuxième type de procédés de dégazage utilisé est le dégazage par réchauffement, voire ébullition, du fluide. De façon générale, la solubilité des gaz dissous dans une phase liquide diminue avec la température. Ce procédé se base sur le fait que la solubilité d’un gaz dissous en phase liquide diminue avec une élévation de température pour atteindre sa valeur minimale lorsque la constante de Henry du gaz est maximale. On peut citer comme exemple le dégazage de l'eau utilisé dans les usines de production d'électricité en contact avec les turbines à vapeur, le dégazage d’un fluide dans un caloduc décrit par le document CN 1510386 (A) ou le dégazage de fluide de refroidissement décrit dans le document US 3,789,577 (A). Le désavantage principal de ce type de procédés est qu'il impose une élévation significative de la température du fluide. Cette élévation de température peut entraîner la dégradation de composés présents dans le fluide, voire la dégradation du fluide lui-même. Par exemple, des réactions chimiques indésirables peuvent se produire en phase gazeuse et/ou liquide, telles qu’une oxydation d’un composé dissous en phase liquide, une auto-décomposition des composés en phase gazeuse.
Il existe un autre type de procédés de dégazage exploitant le phénomène susmentionné, qui se caractérise par une étape dans laquelle le fluide est traité par cavitation. Plus particulièrement, le fluide est soumis à une dépression de sorte que la pression du fluide devient inférieure à sa pression de vapeur saturante. Dès lors, des bulles de vapeur sont susceptibles d’être générées et de former une phase gazeuse, vers laquelle un transfert des gaz dissous à partir de la phase liquide peut être subséquemment effectué.
Il est notamment connu du document Z. Yang et al., A prototype of ultrasonic micro-degassing device for portable dialysis system, Sensors and Actuators A: Physical, 95, 274-280, 2002, un dispositif microfluidique de dégazage d’un fluide par cavitation acoustique. Le fluide à dégazer est soumis à une onde acoustique, ici des ultrasons, afin de permettre sa cavitation. Pour cela, le dispositif de dégazage comprend une chambre de dégazage et un module piézo-transducteur pour l’émission d’ultrasons. La cavitation acoustique et l’élimination des bulles de gaz sont réalisées dans la chambre de dégazage. L’élimination des bulles de gaz est réalisée par des canaux hydrophobes répartis tout le long de la chambre de dégazage. Toutefois, l’utilisation d’ultrasons peut induire une élévation non contrôlée de la température du fluide. Ici encore, cette élévation de température peut entraîner la dégradation de composés présents dans le fluide, voire la dégradation du fluide lui-même.
Il est en outre connu du document US 3,853,500 (A), un procédé de dégazage de fluides visqueux. Ce procédé comprend une étape dans laquelle le fluide est passé à travers une cloison perforée pour le dégazer et y former des bulles et une étape subséquente dans laquelle le fluide est agité en le soumettant à des ultrasons. Ici encore, l’utilisation d’ultrasons peut induire une élévation non contrôlée de la température du fluide.
Un objet de la présente invention est donc de proposer un procédé de dégazage par cavitation permettant d’améliorer le dégazage d’un fluide. Un autre objet de l’invention peut être d’augmenter l’efficacité du procédé de dégazage par cavitation d’un fluide. Un autre objet de l’invention peut être d’améliorer l’élimination par cavitation d’au moins un gaz dissous dans un fluide tout en limitant le risque de dégradation de composés éventuellement présents dans le fluide, voire le risque de dégradation du fluide lui-même, lors du dégazage. Plus particulièrement, un objet de l’invention est de limiter l’élévation de la température du fluide au cours du procédé de façon à éviter la dégradation de composés éventuellement présents dans le fluide, voire la dégradation du fluide lui-même.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RESUME
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un procédé de dégazage d’un fluide comprenant les étapes suivantes:
- fournir, en entrée d’un réacteur, un fluide pouvant comprendre au moins un gaz dissous ; puis
- faire s’écouler le fluide à travers le réacteur, le réacteur comprenant au moins un conduit fluidique, l’au moins un conduit fluidique comprenant une première portion, une deuxième portion et une troisième portion, la deuxième portion étant disposée entre la première portion et la troisième portion, la deuxième portion présentant un diamètre hydraulique réduit par rapport à la première portion et à la troisième portion, et l’écoulement étant paramétré de sorte que des bulles sont générées par cavitation, le fluide comprenant alors une phase liquide et une phase gazeuse, puis
- permettre le transfert au moins partiel de l’au moins un gaz dissous présent, voire restant, dans la phase liquide à la phase gazeuse ;
- séparer la phase liquide et la phase gazeuse ; et
- récupérer la phase liquide pour obtenir le fluide dégazé.
Avantageusement, le procédé est exempt de l’application d’ultrasons au fluide entre l’étape dans laquelle le fluide est fourni en entrée du réacteur et l’étape de séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse.
Ainsi, le procédé met en œuvre un dégazage d’un fluide par cavitation hydrodynamique. Par la cavitation hydrodynamique, le dégazage est effectué en appliquant un abaissement de pression en continu dans le fluide, lors de son écoulement dans l’au moins un réacteur. Dès lors, le procédé de dégazage peut être mis en œuvre de façon continue.
En outre, le procédé étant exempt de l’application d’ultrasons sur le fluide, le procédé permet de limiter, voire d’éviter une élévation de la température non contrôlée du fluide. Ainsi, le fluide peut être sensiblement à température ambiante, par exemple pour éviter la dégradation de composés dissous dans le fluide, voire la dégradation du fluide lui-même. Le fluide peut en outre être à une température contrôlée.
De préférence, la phase liquide et la phase gazeuse sont séparées en sortie du réacteur.
De manière facultative, le procédé peut en outre présenter au moins l’une quelconque des caractéristiques suivantes, éventuellement utilisées en association ou alternativement.
L’au moins un conduit fluidique peut être un conduit microfluidique. L’utilisation d’un conduit microfluidique permet d’induire la micro-cavitation du fluide. Du fait de ce faible diamètre hydraulique, une dispersion dense de bulles de taille millimétrique, voire micrométrique, peut être créée. Ces bulles sont alors caractérisées par une aire interfaciale par unité de volume pouvant être supérieure à 3000 m-1. Le transfert de phase des gaz dissous est ainsi facilité, augmentant l’efficacité du procédé de dégazage. De préférence le diamètre hydraulique réduit est inférieur à 300 µm, de préférence inférieur à 150 µm, encore plus préférentiellement inférieur à 100 µm.
La phase liquide et la phase gazeuse peuvent être séparées en sortie du réacteur, la troisième portion présentant une longueur choisie pour dissocier temporellement la génération des bulles par cavitation et la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse. Le procédé permet ainsi que le fluide s’écoule dans la troisième portion de façon à favoriser le transfert de phase des gaz dissous.
La première portion, la deuxième portion et la troisième portion sont de préférence adjointes.
L’au moins un conduit du réacteur peut comprendre l’un au moins parmi un diaphragme, voire un micro-diaphragme, un Venturi, voire un micro-Venturi et une marche, voire une micro-marche. La marche peut en outre présenter une arrête saillante.
La deuxième portion peut présenter une section transversale à un axe longitudinal du conduit, de rapport d’aspect supérieur ou égal à 3.
Le fluide peut présenter une viscosité inférieure à 5 mPa.s (10-3Pa.s) à la température de mise en œuvre du procédé, de préférence la viscosité du fluide étant comprise entre 0,5 mPa.s et 5 mPa.s à la température de 20 °C.
L’écoulement du fluide dans l’au moins un réacteur peut être paramétré de façon à être turbulent au moins en aval de la deuxième portion. Un régime turbulent permet de favoriser le mélange des gaz dissous en phase liquide. Ainsi la diffusion des gaz dissous de la phase liquide à l’interface liquide-gaz, à la surface des bulles, est accélérée. L’efficacité du procédé de dégazage est ainsi encore augmentée. En outre, l’aire interfaciale totale par unité de volume des bulles générées est ainsi très importante, ce qui, en synergie avec le caractère turbulent de l’écoulement du fluide, permet d’intensifier le transfert des gaz dissous et contribue à améliorer l’efficacité du procédé.
Lorsque le fluide s’écoule dans la troisième portion, le fluide peut être à une pression inférieure à la pression du fluide dans la première portion, et par exemple inférieure à la pression ambiante. De préférence ladite pression est inférieure à la pression de saturation de l’au moins un gaz dissous, à la température du fluide en entrée du réacteur.
Lorsque le fluide s’écoule dans la troisième portion, la pression dans la troisième portion est de préférence inférieure à la pression ambiante, de sensiblement 1 bar.
Lorsque le fluide s’écoule dans la troisième portion, voire jusqu’à ce que la phase liquide et la phase gazeuse soient séparées entre elles, le fluide peut être à une température comprise entre la température ambiante et la température d’ébullition du fluide. Le fluide peut être à une température comprise entre la température de solidification du fluide, par exemple 0°C pour l'eau à 1 bar, et sa température d'ébullition, par exemple 100 °C pour l'eau à 1 bar.
Lorsque le fluide s’écoule dans la troisième portion, voire jusqu’à ce que la phase liquide et la phase gazeuse soient séparées entre elles, le fluide peut être à une température choisie de façon à maximiser la constante de Henry de l’au moins un gaz dissous. Lorsque le fluide s’écoule dans la troisième portion, voire jusqu’à ce que la phase liquide et la phase gazeuse soient séparées entre elles, le fluide est à une température choisie de façon à minimiser la solubilité de l’au moins un gaz dissous.
Lorsque le fluide s’écoule dans la troisième portion, voire jusqu’à ce que la phase liquide et la phase gazeuse soient séparées entre elles, le fluide comprenant une pluralité de gaz dissous, la température peut être choisie de façon à maximiser la constante de Henry d’un gaz parmi la pluralité de gaz dissous.
Lorsque le fluide s’écoule dans la troisième portion, voire dans le réacteur, voire jusqu’à ce que la phase liquide et la phase gazeuse soient séparées entre elles, le fluide comprenant une pluralité de gaz dissous, le fluide peut être à une température choisie de façon à favoriser le dégazage d’un gaz parmi la pluralité de gaz dissous, et notamment le transfert au moins partiel de l’au moins un gaz dissous.
Par ailleurs, le réacteur peut comprendre une pluralité de conduits. De préférence les conduits sont disposés en parallèle.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, le terme dégazage désigne l’extraction au moins partielle des gaz dissous dans un fluide. De façon équivalente, le dégazage consiste à diminuer la concentration de gaz dissous dans une phase liquide. Ainsi, dans le cadre de la présente invention, on distingue le dégazage d’un débullage ou encore désaération, qui consiste à éliminer des bulles initialement présentes dans une phase liquide. Le dégazage effectué lors de la mise en œuvre du procédé peut toutefois s’accompagner d’un débullage.
On entend par «gaz» un ensemble formé par des composés à l’état gazeux dans les conditions ambiantes de température et de pression, et des composés organiques volatils. À titre d’exemple non limitatif, ces gaz peuvent inclure le dioxygène, le diazote, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, l’argon, le protoxyde d'azote et le méthane.
Ces gaz peuvent être qualifiés comme «incondensables», c’est-à-dire que, dans les conditions opératoires du procédé, ils ne subissent pas un changement de phase de l’état gazeux à l’état liquide et inversement. Ces gaz se dissolvent dans un fluide et peuvent subir un transfert d’une phase liquide dans laquelle ils sont dissous à une phase gazeuse.
Le fluide peut être qualifié comme «condensable», c’est à dire que, dans les conditions opératoire du procédé, il peut subir au moins partiellement un changement de phase de l’état gazeux, pouvant aussi être signé comme vapeur, à l’état liquide et inversement. Par exemple, le condensable est de l’eau pouvant être sous forme de liquide ou de vapeur.
Par viscosité, on entend la viscosité dynamique du fluide en Pa.s.
La pression est donnée en bar, correspondant à 1000 hPa dans le système international d’unités.
Le «diamètre hydraulique» D est une grandeur communément utilisée pour le calcul des écoulements dans un conduit de section transversale à l’axe longitudinal x du conduit, la section transversale étant de forme quelconque. Il peut être déterminé selon la relation suivante.
A étant l'aire de la section transversale à l’axe longitudinal x du conduit, et Pw étant le périmètre mouillé de cette section (pour «wetted perim e ter» en anglais).
L’axe longitudinal du conduit fluidique peut être défini localement comme étant la direction d’écoulement principal du fluide dans le conduit. Ainsi, l’axe longitudinal du conduit fluidique n’est pas nécessairement une droite, mais peut accommoder une courbure du conduit fluidique.
Un mode de réalisation particulier du procédé 1 de dégazage est maintenant décrit. À titre d’exemple, le procédé 1 est illustré par la figure 1, où des variantes du procédé 1 sont indiquées par des chemins en parallèle et des étapes optionnelles sont indiquées en pointillées. À titre d’exemple, les éléments du montage expérimental du procédé de dégazage sont illustrés par la figure 2.
Le fluide à dégazer est fourni 10 en entrée d’un réacteur 2. Il est précisé que le fluide peut comprendre une phase gazeuse G mélangée avec une phase liquide L, ou une phase liquide L uniquement, lorsqu’il est fourni 10 en entrée du réacteur 2. Dans la suite, et comme illustré par la figure 2, le mode de réalisation du procédé dans lequel le fluide comprend initialement uniquement une phase liquide L est décrit. Il est entendu que les caractéristiques décrites peuvent également s’appliquer à un fluide comprenant initialement une phase gazeuse G mélangée avec une phase liquide L. Le fluide est susceptible de comprendre au moins un gaz dissous, c’est à dire que la solution peut initialement comprendre au moins un gaz dissous, dont on souhaite minimiser la concentration en phase liquide.
Le réacteur 2 comprend au moins un conduit 20, ce conduit 20 comprenant une première portion 21 de diamètre hydraulique D1, une deuxième portion 22 de diamètre hydraulique D2, et une troisième portion 23 de diamètre hydraulique D3, comme illustré dans les figures 7 et 8. La deuxième portion 22 présente plus particulièrement un diamètre hydraulique réduit D2 par rapport à ceux de la première portion 21 et de la troisième portion 23.
La réduction du diamètre hydraulique D2 de la deuxième portion 22 permet l’abaissement local de la pression lors de l’écoulement 11 du fluide à travers le réacteur 2, pour aboutir à la cavitation du fluide. Ce phénomène est expliqué en référence aux figures 3 à 6. Le diamètre hydraulique D diminue au niveau de la deuxième portion 22 du réacteur 2, par rapport aux diamètres hydrauliques de la première portion 21 et de la deuxième portion 23, comme illustré par la figure 3. La diminution du diamètre hydraulique D entraîne une augmentation de la vitesse F du fluide, comme illustré en figure 4. Ainsi, la vitesse F du fluide augmente lors de l’écoulement 11b du fluide à travers la deuxième portion 22. Cette augmentation de la vitesse F du fluide induit une diminution de la pression statique P du fluide, qui peut atteindre des pressions égales voire inférieures à la pression de saturation du liquide Psat, comme illustré en figure 5. Par exemple, Psatest égale à 23 mbar pour l'eau à température ambiante. Notons que, si la réduction du diamètre hydraulique D2 de la deuxième portion 22 induit une perte de charge singulière lorsque le fluide s’écoule 11b à travers la deuxième portion 22, la pression diminue par des pertes de charges linéaires lors de l'écoulement 11a, 11c du fluide dans la première portion 21 et dans la troisième portion 23.
Lorsque la pression statique du fluide devient inférieure à la pression de saturation du liquide Psat dans les conditions de mise en œuvre du procédé 1, un changement de phase du fluide est induit. Au moins une partie de la phase liquide L du fluide passe à l’état de vapeur par génération 12 de bulles par cavitation. Selon les conditions de température et de pression, ces bulles peuvent en outre s’assembler dans une poche de cavitation.
La figure 6 illustre l’évolution de la fraction volumique α de la phase gazeuse G lorsque le fluide s’écoule 11 à travers le réacteur 2. La fraction volumique α de la phase gazeuse G peut être initialement sensiblement nulle, le fluide comprenant initialement uniquement une phase liquide, selon l’exemple illustré. Lorsque le fluide s’écoule 11b à travers la deuxième portion 22, la cavitation induit une augmentation de la fraction volumique de la phase gazeuse G. Lorsque le fluide s’écoule 11c à travers la troisième portion 23, la fraction volumique de la phase gazeuse G peut continuer d'augmenter à cause des pertes de charges linéaires, voire à cause de l'imposition d'une faible pression en aval de la deuxième portion 22.
Lors de la génération 12 des bulles par cavitation, la phase gazeuse comprend majoritairement le fluide sous sa forme vapeur. L'équilibre liquide-vapeur peut être traduit par la loi de Raoult qui lie la fraction molaire de la phase gazeuse du fluide xG (fluide)à la fraction molaire en phase liquide du fluide xL (fluide)(généralement sensiblement égal à 1) tel que:
avec Psatla pression de vapeur saturante du fluide en Pa et P la pression en phase gaz en Pa.
L'apparition de ces bulles ou poches initialement remplies de vapeur induit un transfert de phase 13 des gaz dissous en phase liquide à la phase gazeuse, ce transfert pouvant être traduit par la loi de Henry pour un gaz incondensablei.
avec xg (i)la fraction molaire du gazien phase gazeuse, xl(i)la fraction molaire du gazidissous en phase liquide, H la constante de Henry du gazi, en Pa, et P la pression en phase gaz en Pa.
Ce transfert 13 des gaz incondensables comprend plus particulièrement la diffusion des gaz incondensables à l’interface liquide-gaz, de la phase liquide à la phase gazeuse. Ainsi la phase gazeuse G peut se charger en gaz incondensables initialement dissous dans la phase liquide du fluide à dégazer.
En sortie du réacteur, le fluide comprend une phase liquide L et une phase gazeuse G. La phase gazeuse G présente une proportion en gaz incondensables initialement dissous dans le fluide à dégazer, plus ou moins importante selon l'efficacité du dégazage.
La phase liquide L et la phase gazeuse G sont ensuite séparées 14. Pour cela, un dispositif de séparation 4, telle que schématisé sur la figure 2, peut être utilisé. Par exemple, le dispositif de séparation 4 peut comprendre une membrane 41, perméable aux gaz, dans une enceinte 40 et un réservoir 42. Selon cet exemple, le fluide, comprenant la phase liquide L et la phase gazeuse G, peut être fourni dans la première enceinte 40 de séparation gaz/liquide. La phase gazeuse G peut passer à travers la membrane perméable 41 pour être évacuée par le conduit 44. En alternative, tout procédé de séparation d’une phase gazeuse G et d’une phase liquide L peut être envisagé.
La phase liquide et la phase gazeuse peuvent être séparées directement en sortie du réacteur 2. En alternative, un conduit de liaison 45 peut relier le réacteur 2 à la chambre de séparation 4.
Après la séparation 14 de la phase liquide L et de la phase gazeuse G, la phase liquide dégazée est récupérée 15. Pour cela, le dispositif de séparation 4 peut par exemple comprendre un réservoir 42 comprenant une membrane non perméable aux gaz définissant un volume configuré pour accueillir la phase liquide L. Le réservoir 42 peut être relié à une pompe pour gaz 5’ communiquant avec l’extérieur de ce volume afin de maintenir le réservoir 42 en dépression. Le réservoir 42, et plus particulièrement le volume configuré pour accueillir la phase liquide L, peut être relié à un conduit d’évacuation 43 de la phase liquide, relié à au réservoir 42, le conduit 43 pouvant comprendre une pompe 5 permettant de soutirer le fluide dégazé à l’état liquide. En outre, la phase gazeuse G peut être récupérée 19. Pour cela, le dispositif de séparation 4 peut en outre comprendre un conduit d’évacuation 44 de la phase gazeuse, relié à la première enceinte 40, le conduit 44 pouvant comprendre une pompe pour gaz 5’.
Le procédé 1 est exempt de l’application d’ultrasons au fluide, au moins entre l’étape dans laquelle le fluide est fourni 10 au réacteur 2 et l’étape de séparation 14 de la phase liquide L et de la phase gazeuse G. Le procédé permet ainsi de dégazer un fluide en évitant une augmentation non contrôlée de sa température. Le fluide peut comprendre des composés, autres que les gaz incondensables, pouvant être altérés voire se dégrader au-delà d’une certaine température. Par exemple, le fluide peut comprendre des biomolécules telles que des protéines, des glucides ou des lipides. Avantageusement, un fluide comprenant ces composés peut ainsi être dégazé, tout en évitant leur altération, voire leur dégradation.
Dans le procédé 1, le dégazage du fluide étant effectué en lui appliquant un abaissement de pression en continu lors de son écoulement 11 dans le réacteur 2, le dégazage du fluide peut être effectué en continu. L’on comprend que le fluide peut être fourni 10 en continu au réacteur 2. Le fluide peut être fourni 10 directement au réacteur 2. Selon l’exemple utilisé en figure 2, le fluide peut être fourni 10 au réacteur par un réservoir 3, ce réservoir 3 pouvant être relié au réacteur 2 par un conduit de liaison 30. Le réservoir peut en outre comprendre un dispositif de mesure 31 du débit massique du fluide.
Un exemple de réacteur 2 est décrit en référence aux figures 7 à 9. Selon cet exemple, le réacteur comprend un conduit 20 tel que décrit précédemment. La première portion 21 peut présenter un diamètre hydraulique D1, et la troisième portion peut présenter un diamètre hydraulique D3. Au moins l’une parmi la première portion 21 et la deuxième portion 23 peut présenter un diamètre hydraulique constant le long de l’axe longitudinal du conduit 20. Le conduit 20 peut comprendre plus particulièrement un diaphragme, voire un micro-diaphragme, comme illustré par la figure 7.
Au moins l’une parmi la première portion 21 et la deuxième portion 23 peut présenter un diamètre hydraulique variable le long de l’axe longitudinal du conduit 20. Selon un exemple, au moins l’un parmi le diamètre hydraulique D1 de la première portion 21 et le diamètre hydraulique D3 de la troisième portion peut varier de façon monotone le long de l’axe longitudinal du conduit 20. Selon cet exemple, la deuxième portion 22 peut être d’une longueur ponctuelle selon l’axe longitudinal du conduit 20. Le conduit 20 peut comprendre plus particulièrement un Venturi, ou tube de Venturi, voire un micro-Venturi, comme illustré par la figure 8.
Au moins l’une parmi la première portion 21 et la deuxième portion 23 peut présenter un diamètre hydraulique variable sur une partie de la portion, le long de l’axe longitudinal du conduit 20, comme l’exemple illustré par la figure 9. Selon cet exemple, la deuxième portion 22 peut être d’une longueur ponctuelle selon l’axe longitudinal du conduit 20. Le conduit 20 peut comprendre plus particulièrement une marche, voire une micro-marche. La marche peut en outre présenter une arrête saillante de façon à améliorer la cavitation du fluide.
Notons que toute géométrie du conduit 20 permettant la cavitation du fluide peut être envisagée. Toute géométrie déprimogène, configurée pour induire la cavitation du fluide, peut plus particulièrement être envisagée.
L’efficacité du dégazage par le procédé 1 peut être optimisée de sorte qu’une proportion en gaz incondensables dans la phase gazeuse G soit la plus importante possible. Plusieurs solutions sont envisageables et utilisables de façon complémentaire ou en alternative. Ces solutions sont détaillées dans la suite.
Le réacteur peut être un réacteur microfluidique. L’utilisation d’un conduit microfluidique permet d’induire la micro-cavitation du fluide. La micro-cavitation peut entraîner la génération 12 d'une dispersion dense de bulles d’une taille sensiblement inférieure à 1 mm, voire sensiblement inférieure à 100 µm. Ces bulles sont alors caractérisées par une surface interfaciale par unité de volume très importante, dans un volume de liquide très restreint. Par exemple, la surface interfaciale par unité de volume des bulles peut être supérieure à 1000 m-1pour un volume du fluide inférieur à 0,55 mm³. Au moins l’une parmi la première portion 21, la deuxième portion 22 et la troisième portion 23 présente au moins une dimension de sa section transversale à l’axe longitudinal du conduit 20, inférieure à 1 mm, voire inférieure à 500 µm. De préférence, l’ensemble du conduit 20 présente au moins une dimension de sa section transversale à son axe longitudinal, inférieure à 1 mm, voire inférieure à 500 µm. Le diamètre hydraulique réduit D2 peut plus particulièrement être inférieur à 300 µm, de préférence inférieur à 150 µm, encore plus préférentiellement inférieur à 90 µm.
La deuxième portion 22 peut présenter une section transversale à l’axe longitudinal x du conduit, de rapport d’aspect supérieur ou égal à 3. Un rapport d’aspect supérieur ou égal à 3 permet de confiner le fluide selon une dimension, par rapport aux dimensions de la section transversale de la première portion 21. Ce confinement permet d’augmenter la vitesse d’écoulement 11b du fluide au niveau de la deuxième portion 22. L’augmentation de la vitesse d’écoulement du fluide permet d'abaisser la pression locale et ainsi de générer la cavitation, voire d’atteindre un régime d’écoulement turbulent. En outre, le réacteur 2 peut ainsi comprendre une pluralité de conduits 20, par exemple disposés en parallèle, tout en restant d’un volume limité.
Le réacteur 2 peut en effet comprendre une pluralité de conduits 20 disposés en parallèle. Une plus grande quantité de fluide peut ainsi être dégazée en parallèle. Par exemple,chacun des conduits 20 peut déboucher dans la même chambre de séparation 4. Chacun des conduits 20 peut être connecté à un même réservoir 3.
L’écoulement 11c du fluide peut être turbulent en aval de la deuxième portion 22, et notamment dans la troisième portion 23. L’écoulement peut notamment présenter un nombre de Reynolds supérieur à 2300. Un écoulement turbulent permet d’une part de favoriser un brassage de la phase liquide du fluide, et notamment de favoriser le mélange des bulles et des espèces dissoutes, telles que les gaz incondensables, dans la phase liquide du fluide. Ainsi, la diffusion des gaz dissous de la phase liquide à l’interface liquide-gaz, à la surface des bulles formées 12 par cavitation, peut être accélérée. En outre, un écoulement turbulent permet d’éviter la présence de volume mort dans le réacteur 2.
En outre, l’écoulement turbulent du fluide, en synergie avec l’utilisation d’un conduit 20 microfluidique et donc la génération12 d’une dispersion de bulles à forte aire interfaciale, permet l'intensification du transfert de phase 13 des gaz dissous. Ainsi la proportion dans la phase gazeuse des gaz incondensables peut plus rapidement atteindre sa valeur d’équilibre donnée par loi de Henry.
Par ailleurs, pour que la proportion dans la phase gazeuse des gaz incondensables puisse atteindre sa valeur d’équilibre selon la loi de Henry dans les conditions de température et de pression du procédé, la troisième portion 23, ou la troisième portion 23 plus un conduit de liaison 45 reliant le réacteur 2 à la chambre de séparation 4, peut présenter une longueur choisie pour dissocier temporellement la génération 12 des bulles par cavitation et la séparation 14 de la phase liquide L et de la phase gazeuse G.
Cette dissociation temporelle permet de favoriser l'établissement de l'équilibre de transfert de masse. Les bulles comprenant initialement majoritairement le fluide sous sa forme vapeur, la fraction molaire des gaz incondensables en phase gazeuse peut ainsi être contrôlée, voire augmentée avant l’étape de séparation de la phase liquide L et de la phase gazeuse G. En outre, des pertes de charges additionnelles peuvent être induites lors de l’écoulement 11c du fluide dans la troisième portion 23, plus la troisième portion 23 est longue.
Afin d’optimiser l’efficacité du dégazage par le procédé 1, la pression et la température du montage expérimental peuvent être ajustées. La pression P3 en aval de la deuxième portion 22, et de préférence jusqu’à la séparation 14 de la phase liquide L et de la phase gazeuse G, peut être choisie 16 de façon à éviter une redissolution des gaz en phase liquide L. En outre, maintenir 16 une pression P3 faible en aval induit des pertes de charges additionnelles du fluide lors de son écoulement 11c dans la troisième portion 23 et donc favorise la création d’une phase gazeuse G plus importante.
La pression P2 dans la deuxième portion 22 et la pression P3 en aval de la deuxième portion 22, et notamment dans la troisième portion 23, sont de préférence inférieures à la pression de vapeur saturante (Psat) du fluide à la température du fluide en entrée du réacteur.
Selon la loi de Henry, la proportion à l’équilibre des gaz incondensables dans la phase gazeuse G dépend en partie des conditions de pression appliquées au fluide. Maintenir 16 une pression P3 faible du fluide en aval de la deuxième portion 22 permet de favoriser le transfert de phase des gaz incondensables. Lors du développement du procédé 1, les essais ont montré que plus la pression P3 en aval de la deuxième portion 22 est basse, plus le dégazage est efficace. Notamment, une concentration en gaz dissous dans la phase liquide dégazée inférieure à 1 mg/L peut être atteinte. La concentration en gaz dissous dans la phase liquide peut être mesurée par des sondes de concentration en gaz 7, disposées en amont et/ou en aval du réacteur 2. Plus particulièrement la pression P3 en aval de la deuxième portion 22 peut être inférieure à la pression ambiante, de sensiblement 1 bar.
Le débit et la pression P3 dans la troisième portion 23 peuvent être ajustés afin de générer un écoulement ayant un nombre de cavitation σ inférieur à 1 voir le plus bas possible afin d'optimiser le dégazage. Le nombre de cavitation σ est ici défini comme le rapport entre l'abaissement de pression induisant la cavitation sur la chute de pression générée par l'écoulement, selon la formule mathématique suivante, avecρla masse volumique du fluide etUla vitesse du fluide dans la deuxième portion 22.
La pression P3 en aval de la deuxième portion 22 peut être contrôlée 16 par une pompe à vide 5 reliée à la chambre de séparation 4. La force du vide appliqué par la pompe à vide 5 peut par exemple être régulée en fonction de la mesure de la pression P3 par un capteur de pression 8 disposé en aval de la deuxième portion 2, voire en aval du réacteur 2, comme illustré par la figure 2.
Selon la loi de Henry, la proportion à l’équilibre des gaz incondensables dans la phase gazeuse G dépend d’autre part des conditions de température appliquées au fluide. Le fluide peut être 18 à une température comprise entre la température de solidification et la température d’ébullition du fluide. De préférence, le fluide est maintenu 18 à une température comprise dans cette gamme. Le contrôle de la température permet de favoriser l’écoulement 11 du fluide dans le réacteur 2 et de favoriser le transfert des gaz dissous. Dans cette gamme de température, plus la température est élevée, plus la viscosité du fluide peut être diminuée. Par le contrôle de la température, le procédé permet un compromis entre favoriser le transfert des gaz dissous, et limiter le risque de dégrader des composés éventuellement présents dans le fluide, voire le fluide lui-même. De préférence, lorsque le fluide est de l’eau, le fluide peut être maintenu 18 à une température comprise entre 0 et 100 °C.
Plus la température en aval de la deuxième portion 22 est proche de celle correspondant à la solubilité des gaz dissous la plus faible, c’est-à-dire à une forte constante de Henry, et plus le dégazage est efficace. Lorsque le fluide s’écoule 11 dans la troisième portion 23, voire jusqu’à ce que la phase liquide L et la phase gazeuse G soient séparées 15, le fluide peut être à une température choisie de façon à maximiser la constante de Henry, ou de façon équivalente de façon à minimiser la solubilité des gaz dissous en phase liquide.
La température du fluide peut être contrôlée 18 par un dispositif chauffant, de préférence permettant de maintenir à la température voulue le réacteur 2, voire l’ensemble du montage expérimental. Par exemple, on peut utiliser un échangeur de chaleur ou une enceinte thermostatée. Des capteurs de température 6 peuvent en outre être disposés en amont et en aval du réacteur 2 afin de mesurer la température du fluide, comme illustré dans la figure 2.
Afin d’optimiser l’efficacité du dégazage par le procédé 1, le fluide peut par ailleurs présenter une viscosité inférieure à 5 mPa.s (10-3Pa.s) à la température de mise en œuvre du procédé. Le fluide peut plus particulièrement présenter une viscosité inférieure à 2 mPa.s lorsque le fluide est à la température de 20°C. Ainsi, le fluide peut être suffisamment peu visqueux pour faciliter son écoulement dans le réacteur 2, et ainsi faciliter sa cavitation. Lorsque le conduit est un conduit microfluidique, la viscosité du fluide peut de préférence être comprise entre 0,5 mPa.s et 5 mPa.s à la température de mise en œuvre du procédé, et de préférence entre 0,5 mPa.s et 2 mPa.s, afin de faciliter son écoulement à travers ce conduit.Le fluide peut plus particulièrement être de l’eau.
Selon le choix des pressions appliquées au fluide et de la température du fluide, le procédé peut être configuré pour éliminer un gaz en particulier parmi une pluralité de gaz incondensables. Pour cela, la température du fluide, au moins en aval de la deuxième portion 22 du conduit 20, peut être choisie 18 comme celle correspondant à la solubilité la plus faible du gaz ciblé. De façon équivalente, cette température peut être choisie 18 de façon à maximiser la constante de Henry du gaz ciblé. La constante de Henry d’un gaz est de façon générale maximale quand la solubilité de ce gaz est minimale. Par exemple, la constante de Henry du dioxygène, du diazote, du dioxyde de carbone dans l'eau est maximale à une température sensiblement comprise entre 100 et 130 °C. Typiquement, une élévation de température du fluide favorise le dégazage.
La température en aval de la deuxième portion 22 peut être choisie de façon à favoriser la diffusion en phase liquide d’un gaz parmi la pluralité de gaz dissous. La température influant sur la vitesse de diffusion des gaz en phase liquide, un dégazage plus ou moins rapide des différents gaz dissous peut ainsi être obtenu. Ainsi le dégazage du fluide peut être rendu plus sélectif pour un gaz dissous particulier.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
Par exemple, on peut prévoir que le procédé comprenne l’écoulement successif du fluide à travers une pluralité de réacteurs, avant l’étape de séparation 14 de la phase liquide G et de la phase gazeuse.
On peut en outre prévoir que l’au moins un conduit présente une succession de géométries configurées pour générer dans le fluide des bulles par cavitation Plus particulièrement, chacune de ces géométries peut comprendre les trois portions décrites ci-dessus, la troisième portion d’une de ces géométries jouant par exemple le rôle de première portion de la configuration suivante.
LISTE DES REFERENCES NUMERIQUES
1 Procédé
10 Fournir un fluide en entrée d’un réacteur
11 Faire s’écouler le fluide à travers le réacteur
11a Écoulement du fluide dans la première portion
11b Écoulement du fluide à travers la deuxième portion
11c Écoulement du fluide dans la troisième portion
12 Génération des bulles par cavitation
13 Transfert de phase des gaz dissous
14 Séparer la phase liquide et la phase gazeuse
15 Récupérer la phase liquide
16 Le fluide est sous une pression P3
17 Le fluide est sous une pression P1
18 Le fluide est à une température T
19 Récupérer la phase gazeuse
2 Réacteur
20 Conduit
21 Première portion
22 Deuxième portion
23 Troisième portion
3 Réservoir
30 Conduit de liaison
31Dispositif de mesure du débit massique
4 Dispositif de séparation
40 Première enceinte
41 Membrane perméable
42 Réservoir
43 Conduit d’évacuation de la phase liquide
44 Conduit d’évacuation de la phase gazeuse
45 Conduit de liaison
5 Pompe
5’ Pompe pour gaz
6 Capteur de température
7 Sonde de concentration en gaz dissous
8 Capteur de pression
D1 Diamètre hydraulique de la première portion
D2 Diamètre hydraulique réduit
D3 Diamètre hydraulique de la troisième portion
L Phase liquide
G Phase gazeuse
P1 Pression dans la première portion
P2 Pression dans la deuxième portion
P3 Pression dans la troisième portion
10 Fournir un fluide en entrée d’un réacteur
11 Faire s’écouler le fluide à travers le réacteur
11a Écoulement du fluide dans la première portion
11b Écoulement du fluide à travers la deuxième portion
11c Écoulement du fluide dans la troisième portion
12 Génération des bulles par cavitation
13 Transfert de phase des gaz dissous
14 Séparer la phase liquide et la phase gazeuse
15 Récupérer la phase liquide
16 Le fluide est sous une pression P3
17 Le fluide est sous une pression P1
18 Le fluide est à une température T
19 Récupérer la phase gazeuse
2 Réacteur
20 Conduit
21 Première portion
22 Deuxième portion
23 Troisième portion
3 Réservoir
30 Conduit de liaison
31Dispositif de mesure du débit massique
4 Dispositif de séparation
40 Première enceinte
41 Membrane perméable
42 Réservoir
43 Conduit d’évacuation de la phase liquide
44 Conduit d’évacuation de la phase gazeuse
45 Conduit de liaison
5 Pompe
5’ Pompe pour gaz
6 Capteur de température
7 Sonde de concentration en gaz dissous
8 Capteur de pression
D1 Diamètre hydraulique de la première portion
D2 Diamètre hydraulique réduit
D3 Diamètre hydraulique de la troisième portion
L Phase liquide
G Phase gazeuse
P1 Pression dans la première portion
P2 Pression dans la deuxième portion
P3 Pression dans la troisième portion
Claims (14)
- Procédé (1) de dégazage d’un fluide comprenant les étapes suivantes:
- fournir (10), en entrée d’un réacteur (2), un fluide comprenant au moins un gaz dissous; puis
- faire s’écouler (11) le fluide à travers le réacteur (2), le réacteur comprenant au moins un conduit fluidique (20), l’au moins un conduit fluidique (20) comprenant une première portion (21), une deuxième portion (22) et une troisième portion (23), la deuxième portion (22) étant disposée entre la première portion (21) et la troisième portion (23), la deuxième portion présentant un diamètre hydraulique réduit (D2) par rapport à la première portion et à la troisième portion, et l’écoulement étant paramétré de sorte que des bulles sont générées (12) par cavitation, le fluide comprenant alors une phase liquide (L) et une phase gazeuse (G), puis
- permettre le transfert (13) au moins partiel de l’au moins un gaz dissous présent dans la phase liquide (L) vers la phase gazeuse (G) ;
- séparer (14) la phase liquide et la phase gazeuse;
- récupérer (15) la phase liquide pour obtenir le fluide dégazé,
- Procédé (1) selon la revendication précédente, dans lequel l’au moins un conduit fluidique (20) est un conduit microfluidique, de préférence le diamètre hydraulique réduit (D2) étant inférieur à 300 µm, de préférence inférieur à 150 µm, encore plus préférentiellement inférieur à 100 µm.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la phase liquide et la phase gazeuse sont séparées en sortie du réacteur, la troisième portion (23) présentant une longueur choisie pour dissocier temporellement la génération (12) des bulles par cavitation et la séparation (14) de la phase liquide (L) et de la phase gazeuse (G).
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un conduit (20) comprend l’un parmi un diaphragme, voire un micro-diaphragme, un Venturi, voire un micro-Venturi et une marche, voire une micro-marche.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième portion (22) présente une section transversale à un axe longitudinal (x) du conduit, de rapport d’aspect supérieur ou égal à 3.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fluide présente une viscosité inférieure à 5 mPa.s à une température de mise en œuvre du procédé, de préférence la viscosité du fluide étant comprise entre 0,5 mPa.s et 5 mPa.s à la température de 20 °C.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendicationsprécédentes, dans lequel l’écoulement (11) du fluide dans l’au moins un réacteur (2) est paramétré de façon à être turbulent au moins en aval de la deuxième portion (22).
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le fluide s’écoule (11c) dans la troisième portion (23), le fluide est (16) à une pression (P3) inférieure à la pression (P1) du fluide dans la première portion (21).
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, la pression (P3) dans la troisième portion (23) est inférieure à la pression ambiante.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le fluide s’écoule (11c) dans la troisième portion (23), voire jusqu’à ce que la phase liquide (L) et la phase gazeuse (G) soient séparées (15) entre elles, le fluide est (18) à une température comprise entre la température de solidification du fluide et la température d’ébullition du fluide.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le fluide s’écoule (11c) dans la troisième portion (23), voire jusqu’à ce que la phase liquide (L) et la phase gazeuse (G) soient séparées (15) entre elles, le fluide est (18) à une température choisie de façon à maximiser la constante de Henry de l’au moins un gaz dissous.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le fluide s’écoule (11c) dans la troisième portion (23), voire jusqu’à ce que la phase liquide (L) et la phase gazeuse (G) soient séparées (15) entre elles, le fluide comprenant une pluralité de gaz dissous, la température est choisie (18) de façon à maximiser la constante de Henry d’un gaz parmi la pluralité de gaz dissous.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le fluide s’écoule (11c) dans la troisième portion (23), voire dans le réacteur (2), voire jusqu’à ce que la phase liquide (L) et la phase gazeuse (G) soient séparées (15) entre elles, le fluide comprenant une pluralité de gaz dissous, le fluide est (18) à une température choisie de façon à favoriser le transfert (13) au moins partiel de l’au moins un gaz dissous.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur (2) comprend une pluralité de conduits (20), de préférence disposés en parallèle.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| FR1914650A FR3104450B1 (fr) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Procédé de dégazage d’un fluide |
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