WO2003084652A2 - Procede et reacteur de mise en contact gaz/liquide par dispersion, et applications - Google Patents

Procede et reacteur de mise en contact gaz/liquide par dispersion, et applications Download PDF

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WO2003084652A2
WO2003084652A2 PCT/FR2003/001053 FR0301053W WO03084652A2 WO 2003084652 A2 WO2003084652 A2 WO 2003084652A2 FR 0301053 W FR0301053 W FR 0301053W WO 03084652 A2 WO03084652 A2 WO 03084652A2
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impact
enclosure
reactor
gas
wall
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PCT/FR2003/001053
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Mohamed Rhouma
Michel Delmas
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Institut National Polytechnique De Toulouse Srdi
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/232—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
    • B01F23/2323—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles by circulating the flow in guiding constructions or conduits
    • B01F23/23231—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles by circulating the flow in guiding constructions or conduits being at least partially immersed in the liquid, e.g. in a closed circuit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B01F23/45—Mixing liquids with liquids; Emulsifying using flow mixing
    • B01F23/454—Mixing liquids with liquids; Emulsifying using flow mixing by injecting a mixture of liquid and gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
    • B01F25/25—Mixing by jets impinging against collision plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/50—Circulation mixers, e.g. wherein at least part of the mixture is discharged from and reintroduced into a receptacle

Definitions

  • the invention relates to a method and a reactor for bringing a gas into contact with a liquid composition.
  • the invention is of great interest in the context of the treatment of a liquid composition with a gas, in particular the treatment of water loaded with organic matter (in particular, microorganisms such as bacteria, algae, viruses, yeasts and molds) which must be eliminated by oxidation.
  • organic matter in particular, microorganisms such as bacteria, algae, viruses, yeasts and molds
  • liquid composition means both a homogeneous, simple or complex liquid composition (mixture of several liquids of different phases) as well as a heterogeneous liquid composition comprising in particular suspended solids and / or particles of dispersed gases.
  • residual gas (s) denotes a gaseous phase not retained by the liquid composition, formed by the gas (s) used for the treatment, known as the treating gas, and / or by one (or more) gas (s) from the gas treatment.
  • the reactor will be considered in its normal operating position in the following, the terms "high”, “low”, “upper”, “lower” referring to this position.
  • Numerous devices are currently known which make it possible to contact and mix fluids, in particular a liquid with a gas.
  • spray columns for example, spray columns, falling film columns, bubble columns, gas-jet reactors, ejector columns, mechanically agitated columns, columns with countercurrent packing, columns with co-current packing, the columns with perforated trays, mechanically agitated tanks and Venturi ejectors.
  • These devices notably described in the work “Chemical reaction engineering: Design and operation of reactors", J. Nillermaux (1995), p.388-396, Lavoisier - Tec. & Doc.
  • FR 801 637 a reactor for mixing previously formed gas bubbles with a liquid.
  • the gas is introduced into the reactor through a porous solid wall in the central position forming the gas bubbles.
  • a highly turbulent liquid circulates at the exit of the porous wall, a gas-liquid mixture being produced by mixing between the liquid and the gas bubbles.
  • the level of phase dispersion is closely linked to the size of the gas bubbles, which itself depends on that of the pores of the porous structure. The smaller the size of these pores, the better the dispersion. But the energy required to generate these bubbles will then be all the more important.
  • the invention aims to propose a method and a reactor, of simple implementation, making it possible to obtain an intimate mixture of the liquid composition and the gas and an improved contact between the gas and the liquid composition (with a large specific surface of contact).
  • the invention aims for optimal dispersion of the gas in the liquid phase and aims to obtain a mixture of high reactivity.
  • the invention also aims to provide improved treatments of liquid compositions with gases.
  • Another objective of the invention is to provide a reactor and an installation in particular suitable for the treatment - in particular disinfection - of water by oxidation - in particular with ozone - which are compatible with current requirements in terms of quality, respect for the environment and cost of implementation.
  • the invention therefore relates to a gas / liquid contacting method by dispersing a gas in a liquid composition in which establishes, in a reactor, a plurality of streams of at least a mixture of liquid composition and gas, and these streams are made to converge in a noncurrent manner in an enclosure, called impact enclosure, delimited by an external wall , and in which said streams meet, and at least one flow of composition, called mixed composition, resulting from the union of streams is extracted from the impact enclosure.
  • each current entering the impact enclosure is directed towards a portion of facing solid wall, called the impact wall, disposed inside the impact enclosure.
  • each previously formed liquid-gas mixture strikes a part of the impact wall in the impact enclosure.
  • This part of the impact wall is adapted so as not to prevent the joining and mixing of the currents. In practice, it even has the effect of generating a much more intimate and reactive mixture.
  • the impact wall (s) fragment (s) the currents which strike it (them) in innumerable thinner secondary jets which propagate in all directions of the impact zone in s 'colliding creating a multitude of secondary impacts (between them and with the external wall), an intimate interpenetration of the gas and the liquid composition and a remarkable dispersion of the phases.
  • the liquid / gas contact is thus highly optimized, to the point that the gas can be caused to dissolve in the liquid composition.
  • the currents in the impact enclosure are oriented in secant directions along the same theoretical intersection zone, and said portion of impact wall is interposed in each stream upstream of said theoretical intersection area.
  • Each current, before encountering another current in the impact zone, thus breaks on said part of the impact wall, and is deviated from its trajectory to strike the outside wall of the impact enclosure and meet the other current (s).
  • the present invention which uses at least one impact wall in the impact enclosure not only allows a significant increase in gas retention, but also brings the dispersion of the phases to a level very higher, hence a significant increase in the relative reactivity between the constituents of the liquid and gas phases.
  • an impact enclosure which has at least one axial symmetry and the currents in the impact enclosure are oriented in directions at least substantially radial with respect to the impact enclosure.
  • the currents are introduced into the enclosure by inlets arranged at least substantially along the same plane - in particular a plane radial to the impact enclosure -.
  • a method according to the invention is also characterized in that: the currents oriented in the impact enclosure are introduced there through inlets distributed at the periphery of the outer wall,
  • the different parts of the impact wall (s) are at the periphery of a solid body placed in the impact enclosure in an at least substantially central position.
  • the composition in the impact enclosure can only circulate between the outer walls of this enclosure and the parts of solid impact wall (s) disposed in the central position of the impact enclosure ( relative to the inputs of the currents in the enclosure) and undergoes multiple impacts and successive reflections on the parts of solid wall (s) receiving the incoming currents and the external wall of the impact enclosure.
  • the solid body prevents the circulation of the composition in the space delimited by the envelope of the parts of solid wall (s) of impact.
  • the mixed composition is extracted from the impact enclosure by at least one axial end outlet of the impact enclosure.
  • At least part of the mixed composition is removed from the reactor and at least one other part of mixed composition is reintroduced into the streams converging in the impact enclosure, by axial end outlets of the impact enclosure -in particular by axial end outputs of the opposite impact enclosure-.
  • the solid body is disposed at least substantially axially in the impact enclosure and is adapted to prevent any axial circulation of fluid through it, either between the parts of impact wall (s) that 'he forms.
  • each current is oriented in a direction at least substantially normal to the part of the impact wall which receives it. This orientation favors multiple secondary reflections and impacts.
  • a convex solid body is chosen chosen from: a sphere, a cylinder of revolution, a prism.
  • a symmetrical impact enclosure of revolution is used around an axis, and in that the impact wall parts are formed by the same symmetrical peripheral wall of revolution of a solid body placed coaxially with the impact enclosure.
  • the fraction of gas not retained by the mixed composition is recovered and it is reintroduced into the streams oriented in the impact enclosure.
  • the reactor is continuously supplied with liquid composition and gas, and the mixed composition is continuously removed from the reactor.
  • injectors using the gas as the driving fluid chosen from: ring type injectors (Bohner and Blenke, Nerfahrenstechnik, 6 (2)) are used to establish the currents of mixture of liquid composition and of gas, according to the invention: 50-57 (1972)), Venturi type injectors.
  • a process in accordance with the invention thus leads to gas / liquid mixtures of great dispersion with a high contact intimacy between the constituents of the two phases (improved specific contact surface), hence a high relative reactivity between the constituents of these mixtures.
  • a method according to the invention is therefore advantageously used for the treatment of a liquid composition with a gas, with a view to optimizing the reactivity of the reaction mixture.
  • a method according to the invention is advantageously implemented in the context of the treatment of a liquid composition with a gas, in particular the treatment - in particular the disinfection - of the waters with an oxidizing gas - notably the air, the oxygen, ozone or a mixture of gases enriched in oxygen and / or ozone-.
  • the invention advantageously applies to the treatment of water loaded with organic matter (in particular, microorganisms such as bacteria, algae, viruses, yeasts and molds) where ozonation, for many reasons, is preferred to chlorination.
  • organic matter in particular, microorganisms such as bacteria, algae, viruses, yeasts and molds
  • ozonation for many reasons, is preferred to chlorination.
  • ozone is an oxidizing gas more powerful than chlorine and which in terms of polluting character is much less dangerous.
  • ozone is particularly unstable, in particular in an aqueous medium.
  • chlorine and its derivatives chlorine dioxide, chloramines, sodium hypochlorite .
  • the present invention makes it possible both to accelerate and to improve the contacting of ozone with its target particles. It thus makes it possible to effectively compensate for the low stability of ozone.
  • the invention also relates to a reactor for implementing a method according to the invention.
  • a reactor according to the invention is said to be a reactor multidirectional impacts.
  • a reactor according to the invention, for bringing gas / liquid into contact by dispersing a gas in a liquid composition comprises:
  • At least one outlet allowing the evacuation of a composition, called mixed composition, resulting from the union of the currents in the impact enclosure, characterized in that it also comprises, inside the enclosure d 'impact, a solid wall part, called the impact wall, disposed opposite each of the current inputs.
  • the supply tubes are adapted to be able to orient the currents in the impact enclosure in intersecting directions according to the same theoretical intersection zone, and a portion of impact wall is interposed between each current input and said theoretical intersection zone.
  • the impact enclosure has at least one axial symmetry, and the supply tubes are adapted to orient the currents in directions at least substantially radial with respect to the impact enclosure.
  • the supply tubes open into the impact enclosure by inlets arranged at least substantially in the same plane.
  • a multidirectional impact reactor according to the invention is also characterized in that: the supply tubes open into the contact enclosure at the periphery of its outer wall,
  • the different parts of the impact wall (s) are at the periphery of a solid body placed in the impact enclosure in an at least substantially central position, and in that it also comprises means making it possible to reintroduce into the currents converging in the impact enclosure, at least part of the mixed composition extracted from the impact enclosure.
  • a multidirectional impact reactor comprises means making it possible to remove at least part of the mixed composition from the reactor and means making it possible to reintroduce at least one other part of mixed composition into the streams converging in the enclosure. impact; the evacuation and the reintroduction of the parts of liquid composition being effected by at least one axial end outlet of the impact enclosure - in particular of the axial end outlets of the opposite impact enclosure -.
  • said solid body is disposed at least substantially axially in the impact enclosure and is adapted to prevent any axial circulation of fluid through it, either between the parts of impact wall (s) that 'he forms.
  • each supply tube is adapted to orient a current in a direction at least substantially normal to the part of impact wall which receives it.
  • the solid body is convex and is chosen from: a sphere, a cylinder of revolution, a prism.
  • the impact enclosure has symmetry of revolution about an axis and the impact wall parts are formed by the same symmetrical peripheral wall of revolution of a solid body placed coaxially with the impact enclosure.
  • a multidirectional impact reactor comprises means suitable for recovering the fraction of gas not retained by the mixed composition and for reintroducing it into the streams of the supply tubes.
  • the supply tubes are equipped with injectors using gas as the working fluid chosen from: injectors of the annular type and injectors of the Nenturi type.
  • the solid body and the outer wall of the enclosure are symmetrical in revolution and of diameters such that the ratio of the diameter of the solid body to that of the outer wall is of the order of 0.35 to 0.50.
  • the supply tubes are at least three in number - preferably four in number.
  • a multidirectional impact reactor according to the invention is used in the context of the treatment of water, in particular loaded with organic matter which has to be eliminated by oxidation.
  • the invention thus also relates to an installation for the treatment of a liquid composition with a gas implementing a method according to the invention -using in particular at least one multidirectional impact reactor according to the invention-.
  • the multidirectional impact reactor is connected in series in the hydraulic circuit of the installation and allows ozonation of the waters to be carried out.
  • the multidirectional impact reactor is connected in bypass with respect to the hydraulic circuit of the installation and allows ozonation of the waters to be carried out.
  • the multidirectional impact reactor is connected upstream of an ozonization tower of a conventional effluent treatment installation; inside the reactor, the oxidized organic materials flocculate and are filtered from the water leaving the reactor before passing through said ozonization tower.
  • the water undergoes a final treatment with ozonation aimed at improving tastes and odors, and destroying colors.
  • an installation according to the invention comprises means making it possible to recover the ozone not retained by the liquid treated in the ozonation tower and to supply, with this ozone, the reactor with treating gas.
  • the invention also relates to a method of bringing a liquid composition into contact with a gas, a reactor and an installation allowing the implementation of this method, characterized, in combination, by all or some of the characteristics below. above or below.
  • the invention also relates to a process for treating a liquid composition with a gas, a reactor as well as an installation allowing the implementation of this process, characterized, in combination, by all or some of the features above or below. after.
  • FIG. 1 is a schematic representation, in section along a vertical plane, of a reactor with multidirectional impacts according to the invention
  • FIG. 2 illustrates the operating principle of the multidirectional impact reactor according to the invention
  • FIG. 3 represents the evolution curves of the gas retention (air / water) as a function of the power injected for different gas flow rates
  • FIG. 4 illustrates the influence of the ratio between the diameter of the supply tube 3 and the diameter of the impact enclosure 2, denoted D 3 D 2 , on the evolution of gas retention (air / water) depending on the power injected,
  • FIG. 6 represents the influence curve of the positioning in height of the cylindrical solid body 4 in the impact enclosure 2 on the evolution of the gas retention (air / water) as a function of the power injected
  • FIGS. 7, 8 and 9 represent tannic acid ozonation curves as a function of the reaction time for a respective flow rate of the liquid phase of 2 m 3 / h, 4 mVh and 6 mVh,
  • FIG. 10 schematically shows a water treatment installation.
  • a process for treating a liquid composition with a gas according to the invention can advantageously be implemented by means of a new type of reactor, known as a multidirectional impact reactor 1 which, preferably , is schematically composed of a tabular impact enclosure 2, delimited by an external wall 2a, extending by the upper and lower parts of the reactor.
  • the impact enclosure 2 includes a theoretical zone, called the impact zone 2b, defined by a density of impacts, between the constituents of the different phases, very high.
  • annular injectors 5 one per supply tube fixed to the lower ends of the supply tubes 3 make it possible to send under pressure, in the supply tubes 3, the gas G and the liquid composition L.
  • the solid body 4 has a preferably convex shape ensuring the multiplication of the impacts of the currents, such as a sphere, a cylinder, a prism.
  • it is advantageously a cylinder closed at its upper end in order to avoid any axial circulation of fluid and the formation of parasitic cyclones during the impact of the currents on its wall.
  • the cylinder of the solid body Placed coaxially with the axis of the impact enclosure 2, the cylinder of the solid body extends on either side of the upper part and the lower part of the inlets of the supply tubes 3.
  • the ratio of the diameter of the cylinder 3 over that of the diameter of the tube 7 constituting the outer wall of the impact zone can for example be of the order of 0.35 to 0.50.
  • the impact zone 2b is a zone delimited by the outer wall 2a of the impact enclosure 2 at or open the supply tubes and through the side wall of the solid body 4.
  • the impact zone 2b is shown in principle in FIG. 2.
  • Each current, before encountering another current in the impact zone 2b, thus shatters on said part of the impact wall, and is deflected from its path to strike the outer wall 2a of the impact enclosure 2 and meet the other (s) current (s).
  • the invention thus makes it possible to bring the dispersion of the phases to a level much higher than that which is permitted by current reactors and allows a significant increase in the gas retention during gas / liquid contact in the liquid phase.
  • a fraction of the mixed composition is thus entrained towards the upper part of the reactor, the other towards the lower part.
  • the fraction entrained in the lower part is then recycled towards the impact zone 2b, by suction effect through the currents of the supply tubes 3.
  • the position of the injectors 5 thus makes it possible, outside the zone of impact, operation of the reactor in a gas siphon system via the impact enclosure 2.
  • the fraction of the mixed composition entrained towards the upper part of the reactor can be withdrawn and evacuated from the reactor 1.
  • the enclosure ends in a zone, called degassing zone 6, at the level of which the gas residual not retained in the liquid phase accumulates.
  • this residual gas can be collected to be reintroduced into the streams of the supply tubes 3.
  • FIG. 10 schematically shows, by way of example, a particular application of a multidirectional impact reactor 1 according to the invention for the treatment of water with ozone; said reactor 1 acting as an ozonization reactor, for example, for the disinfection of water.
  • the treatment carried out by this ozonation reactor 1 can consist of a complementary treatment conventional disinfection by chlorination. It can also and advantageously be an alternative.
  • the multidirectional impact reactor 1 is connected upstream and in series with the network of a sanitation installation.
  • the connection of the reactor to the network can just as easily be done in bypass.
  • the water entering E in reactor 1, possibly having undergone preliminary treatment steps (for example screening, de-oiling, primary settling, etc., in particular with a view to removing suspended solids, colloids, oils, etc. ) is ozonated.
  • decanter systems 10, filters 11 allow the elimination of sludge and flocs resulting from the oxidation of organic matter.
  • additional chemical treatments can take place (denitration decarbonation, neutralization of the pH ).
  • the water in a tank 12, the water can be conditioned by adding various products in order to protect it against subsequent pollution, and / or in order to combat corrosion and / or scaling of the installations.
  • the ozonation tower 13 In the ozonation tower 13, a final treatment, by ozonation, improves the taste and transparency, and eliminates the odors from the water. Due to its low stability, the ozone used in this type of installation is produced on site by means of an ozonator 14 which supplies the ozonization tower 13. According to the mode of application exemplified, the residual ozone from the ozonation tower 13 is recovered with a view to supplying the multidirectional impact reactor 1.
  • the installation described and shown in no way constitutes a limit to an installation according to the invention, implementing a reactor with multidirectional impacts according to the invention.
  • V G and V L respectively express the gas and liquid flows injected into the system.
  • N g expresses the gas volume and V ,, the volume of the liquid to be treated.
  • the ratio V g / (V, + V g ) expresses the gas retention ⁇ G as a percentage
  • the liquid composition consists of water, the gas corresponds to air.
  • the flow rates applied are for the aqueous phase of 6 m 3 / h and for the air of 4 m 3 / h.
  • a gas retention is obtained in the liquid phase, the value of which is of the order of 50%. This value is higher than that recorded with the best gas / liquid contactor currently known of the type for example of that described in DE 38 18 991 in which the gas retention is at most 35%.
  • the first phase is a liquid phase consisting of an aqueous solution of tannic acid (Ref. Merck 1.00773.1000) chosen as the reference compound by its very high resistance in all conventional chemical or biological treatment of water pollution control
  • the second phase is a gas phase, consisting of air enriched with ozone.
  • the initial concentration of tannic acid in the liquid phase is 35 g / m 3 .
  • the initial concentration of ozone in the gas phase is 19.4 mg / l.
  • the reactor 1 used to illustrate the effectiveness of the process of bringing together phases known as primary and secondary multidirectional impacts has the following dimensional characteristics.
  • the four injectors 5 have an outside diameter of 50 mm and a height of 250 mm.
  • the diameter of the impact enclosure 2 is 124 mm.
  • the cylindrical solid body 4 closed at the upper end has a height of 34 mm for a diameter of 50 mm. It is positioned so that the height between the closed top of the cylinder and the bottom of the reactor is 880 mm.
  • the system works with a feed pump with a maximum flow rate of 6 m 3 / h at a pressure of 3 bars.
  • the pressure is controlled by manometers.
  • the measurement of the gas flows V G and liquids V L is carried out by flowmeters with floats. It makes it possible to study the gas retention ⁇ G in the liquid phase as a function of the power injected.
  • the gas retention is determined by the so-called height difference technique which consists in simultaneously cutting off the supply of the two injected phases.
  • the difference in the volumes of the emulsion (gas-liquid mixture) and that of liquid (without aeration) of the two phases gives the volume of gas retained in the reactor.
  • the percentage of this volume relative to the reactor volume gives the gas retention.
  • This parameter is studied as a function of the flow rate of the liquid (that is to say the power injected) for different gas flow rates.
  • the gas flow is fixed.
  • the liquid flow rate varies and each time the gas retention is calculated.
  • Q is the liquid flow rate (in m 3 / s)
  • ⁇ P is the pressure drop at the outlet of the injector (in Pa)
  • r is the density of liquid (in kg / m 3 )
  • v is the speed of the liquid leaving the injector (in m / s)
  • P is the power (in W).
  • the same experimental device is used to test the efficiency of the transfer of material from the multidirectional impact reactor applied to the ozonation of tannic acid.
  • an aqueous solution of tannic acid of 35 mg / l (approximately) is prepared. It is treated in the reactor with ozone air at a flow rate of 0.4 m 3 / h and at an ozone concentration of 19.4 mg / l.
  • the reactor operates in batch mode (open for gas, closed for liquid). Ozone is produced by an air-fed ozone generator. This generator is of the Trailigaz type (ozobloc 5 OC1).
  • the concentration of tannic acid is determined by UV spectrophotometry.
  • the concentration of tannic acid (AT) is monitored over time for different powers injected.
  • Figures 7, 8 and 9 show tannic acid ozonation curves (in grams eliminated per kW) as a function of the reaction time for a respective flow rate of the liquid phase of 2 m 3 / h, 4 m 3 / h and 6 mVh.

Abstract

L'invention concerne un procédé permettant de mettre en contact et de mélanger un gaz à une composition liquide. Pour ce faire, on établit, dans un réacteur (1), une pluralité de courants d'un mélange de composition liquide et de gaz, et on fait converger ces courants de façon non co-courante dans une enceinte, dite enceinte d'impact (2), délimitée par une paroi extérieure (2a), et dans laquelle lesdits courants se réunissent, et on extrait de l'enceinte au moins un débit de composition mixée, résultant de la réunion des courants. Selon l'invention, chaque courant est orienté dans l'enceinte d'impact (2) vers une partie de paroi solide en regard, dite paroi d'impact, disposée à l'intérieur de l'enceinte d'impact.

Description

PROCEDE ET REACTEUR DE MISE EN CONTACT GAZ/LIQUIDE PAR DISPERSION, ET APPLICATIONS.
L'invention concerne un procédé et un réacteur permettant de mettre en contact un gaz avec une composition liquide. L'invention présente un grand intérêt dans le cadre du traitement d'une composition liquide par un gaz, en particulier le traitement des eaux chargées en matière organique (notamment, en micro-organismes tels que bactéries, algues, virus, levures et moisissures) qu'il s'agit d'éliminer par oxydation. Dans tout le texte, on entend par "composition liquide" aussi bien un composition liquide homogène, simple ou complexe (mélange de plusieurs liquides de phases différentes) qu'une composition liquide hétérogène comprenant notamment des matières solides en suspension et/ou des particules de gaz dispersées. De même, on désigne par "gaz résiduel(s)", une phase gazeuse non retenue par la composition liquide, formée par le(les) gaz utilisé(s) pour le traitement, dit(s) gaz traitant, et/ou par un(des) gaz issu(s) du traitement gazeux.
A des fins de clarté, on considérera, dans toute la suite, le réacteur dans sa position normale de fonctionnement, les termes "haut", "bas", "supérieur", "inférieur" se référant à cette position.
On connaît actuellement de nombreux dispositifs qui permettent de mettre en contact et de mélanger des fluides, notamment un liquide avec un gaz. A ce titre on peut citer, par exemple, les colonnes à pulvérisation, les colonnes à film tombant, les colonnes à bulles, les réacteurs gazosiphons, les colonnes à éjecteur, les colonnes agitées mécaniquement, les colonnes à garnissage à contre courant, les colonnes à garnissage à co-courant, les colonnes à plateaux perforés, des cuves agitées mécaniquement et des éjecteurs Venturi. Ces dispositifs (notamment décrits dans l'ouvrage "Génie de la réaction chimique : Conception et fonctionnement des réacteurs", J. Nillermaux ( 1995), p.388-396, Lavoisier - Tec. & Doc.) présentent l'inconvénient de limiter la rétention gazeuse lors du contact gaz/liquide dans la phase liquide, ce qui limite de fait la réactivité relative entre les constituants des deux phases.
On connaît aussi DE 38 18 991 qui décrit un réacteur permettant de mélanger deux fluides à l'aide d'injecteurs d'où sort l'un des fluides sous pression, l'autre fluide étant introduit dans le premier avant la sortie de l'injecteur. Deux injecteurs au moins sont utilisés qui envoient les deux courants créés par ces deux fluides en mouvement l'un vers l'autre dans une zone d'impact qui améliore sensiblement l'homogénéité du mélange. Une des deux phases est préférentiellement un gaz, l'autre un liquide et le nombre d'injecteurs utilisés est généralement de deux. La publication "Ozone", Lee et al., Sci. & Eng. 21; 501-522 (1999) étudie le transfert de matière dans un tel réacteur et conclut que le transfert sans réaction chimique, de par un mauvais dimensionnement du réacteur et de ses internes, s'en trouve limité. On connaît également (FR 801 637) un réacteur permettant de mélanger des bulles de gaz préalablement formées à un liquide. Le gaz est introduit dans le réacteur au travers d'une paroi solide poreuse en position centrale formant les bulles de gaz. Un liquide de forte turbulence circule à la sortie de la paroi poreuse, un mélange gaz-liquide se réalisant par un brassage entre le liquide et les bulles de gaz. Le niveau de dispersion des phases est étroitement lié à la taille des bulles de gaz, elle-même dépendante de celle des pores de la structure poreuse. Plus la taille de ces pores est faible, meilleure est la dispersion. Mais l'énergie nécessaire pour générer ces bulles sera alors d'autant plus importante.
L'invention vise à proposer un procédé et un réacteur, de mise en oeuvre simple, permettant d'obtenir un mélange intime de la composition liquide et du gaz et un contact amélioré entre le gaz et la composition liquide (avec une grande surface spécifique de contact). L'invention vise une dispersion optimale du gaz dans la phase liquide et a pour objectif l'obtention d'un mélange de forte réactivité. A ce titre, l'invention vise aussi a proposer des traitements améliorés de compositions liquides par des gaz.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un réacteur et une installation en particulier adaptés pour le traitement -notamment la désinfection- des eaux par oxydation -notamment par l'ozone- qui soient compatibles avec les exigences actuelles en matière de qualité, de respect de l'environnement et de coût de mise en oeuvre.
L'invention concerne donc un procédé de mise en contact gaz/liquide par dispersion d'un gaz dans une composition liquide dans lequel on établit, dans un réacteur, une pluralité de courants d'au moins un mélange de composition liquide et de gaz, et on fait converger ces courants de façon non co- courante dans une enceinte, dite enceinte d'impact, délimitée par une paroi extérieure, et dans laquelle lesdits courants se réunissent, et on extrait de l'enceinte d'impact au moins un débit de composition, dite composition mixée, résultant de la réunion des courants. Selon l'invention, chaque courant entrant dans l'enceinte d'impact est orienté vers une partie de paroi solide en regard, dite paroi d'impact, disposée à l'intérieur de l'enceinte d'impact.
Selon ce procédé, au niveau de la zone d'impact, chaque mélange liquide-gaz préalablement formé vient frapper une partie de paroi d'impact dans l'enceinte d'impact. Cette partie de paroi d'impact est adaptée pour ne pas empêcher la réunion et le mélange des courants. En pratique, elle a même pour effet de générer un mélange beaucoup plus intime et réactif. En effet, la(les) paroi(s) d'impact fragmente(nt) les courants qui viennent la(les) percuter en d'innombrables jets secondaires plus fins qui se propagent dans toutes les directions de la zone d'impact en s'entrechoquant créant une multitude d'impacts secondaires (entre eux et avec la paroi extérieure), une interpénétration intime du gaz et de la composition liquide et une dispersion remarquable des phases. Le contact liquide/gaz est ainsi fortement optimisé, au point que le gaz peut être amené à se dissoudre dans la composition liquide.
L'expression "de façon non co-courante" signifie qu'à l'entrée de la zone d'impact, les courants sont dirigés selon des directions non confondues ni parallèles.
Avantageusement et selon l'invention, on oriente les courants dans l'enceinte d'impact selon des directions sécantes selon une même zone d'intersection théorique, et on interpose ladite partie de paroi d'impact dans chaque courant à l'amont de ladite zone d'intersection théorique. Chaque courant, avant de rencontrer un autre courant dans la zone d'impact, vient ainsi se briser sur ladite partie de paroi d'impact, et est dévié de sa trajectoire pour aller frapper la paroi extérieure de l'enceinte d'impact et rencontrer le(les) autre(s) courant(s).
Les expérimentations ont permis de mettre en évidence les avantages considérables du procédé objet de la présente invention. Par comparaison avec les procédés antérieurs les plus performants, la présente invention qui utilise au moins une paroi d'impact dans l'enceinte d'impact permet non seulement une augmentation significative de la rétention gazeuse, mais aussi d'amener la dispersion des phases à un niveau très supérieur, d'où une augmentation significative de la réactivité relative entre les constituants des phases liquide et gazeuse.
Avantageusement et selon l'invention, on utilise une enceinte d'impact présentant au moins une symétrie axiale et on oriente les courants dans l'enceinte d'impact selon des directions au moins sensiblement radiales par rapport à l'enceinte d'impact. Avantageusement et selon l'invention, on introduit les courants dans l'enceinte par des entrées disposées au moins sensiblement selon un même plan -notamment un plan radial à l'enceinte d'impact-.
Avantageusement, un procédé selon l'invention est aussi caractérisé en ce que : - les courants orientés dans l'enceinte d'impact y sont introduits par des entrées réparties à la périphérie de la paroi extérieure,
- on réintroduit dans les courants convergeant dans l'enceinte d'impact, au moins une partie de la composition mixée extraite de l'enceinte d'impact, résultant de la réunion des courants dans l'enceinte d'impact (on réalise ainsi un recyclage et un traitement multiple du mélange dans l'enceinte),
- les différentes parties de paroi(s) d'impact sont à la périphérie d'un corps solide placé dans l'enceinte d'impact en position au moins sensiblement centrale.
Ainsi, la composition dans l'enceinte d'impact ne peut circuler qu'entre les parois extérieures de cette enceinte et les parties de paroi(s) solide(s) d'impact disposées en position centrale de l'enceinte d'impact (par rapport aux entrées des courants dans l'enceinte) et subit de multiples impacts et réflexions successives sur les parties de paroi(s) solide(s) recevant les courants entrant et la paroi extérieure de l'enceinte d'impact. Autrement dit, le corps solide empêche la circulation de la composition dans l'espace délimité par l'enveloppe des parties de paroi(s) solide(s) d'impact. Avantageusement et selon l'invention, la composition mixée est extraite de l'enceinte d'impact par au moins une sortie d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact.
Avantageusement et selon l'invention, on évacue du réacteur au moins une partie de la composition mixée et on réintroduit au moins une autre partie de composition mixée dans les courants convergeant dans l'enceinte d'impact, par des sorties d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact -notamment par des sorties d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact opposées-.
Avantageusement et selon l'invention, le corps solide est disposé au moins sensiblement axialement dans l'enceinte d'impact et est adapté pour empêcher toute circulation axiale de fluide à travers lui, soit entre les parties de paroi(s) d'impact qu'il forme.
Avantageusement et selon l'invention, on oriente chaque courant selon une direction au moins sensiblement normale à la partie de paroi d'impact qui le reçoit. Cette orientation favorise les réflexions et impacts secondaires multiples.
Avantageusement et selon l'invention, on utilise un corps solide convexe choisi parmi : une sphère, un cylindre de révolution, un prisme.
Avantageusement et selon l'invention, on utilise une enceinte d'impact symétrique de révolution autour d'un axe, et en ce que les parties de paroi d'impact sont formées par une même paroi périphérique symétrique de révolution d'un corps solide placé coaxialement à l'enceinte d'impact.
Avantageusement et selon l'invention, on récupère la fraction de gaz non retenu par la composition mixée et on la réintroduit dans les courants orientés dans l'enceinte d'impact.
Avantageusement et selon l'invention, on alimente en continu le réacteur en composition liquide et en gaz, et on évacue en continu du réacteur la composition mixée.
Avantageusement et selon l'invention, on utilise pour établir les courants de mélange de composition liquide et de gaz, des injecteurs utilisant le gaz comme fluide moteur choisis parmi : les injecteurs de type annulaire (Bohner et Blenke, Nerfahrenstechnik, 6(2):50-57 (1972)), les injecteurs de type Venturi. Un procédé conforme à l'invention conduit ainsi à des mélanges gaz/liquide de grande dispersion avec une intimité de contact élevée entre les constituants des deux phases (surface spécifique de contact améliorée) d'où une forte réactivité relative entre les constituants de ces mélanges. Un procédé selon l'invention sert donc avantageusement pour le traitement d'une composition liquide par un gaz, en vue d'optimiser la réactivité du mélange réactionnel.
Aussi, un procédé selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre dans le cadre du traitement d'une composition liquide par un gaz, en particulier le traitement -notamment la désinfection- des eaux par un gaz oxydant -notamment l'air, l'oxygène, l'ozone ou un mélange de gaz enrichi en oxygène et/ou en ozone-.
En particulier, l'invention s'applique avantageusement pour le traitement des eaux chargées en matière organique (notamment, en microorganismes tels que bactéries, algues, virus, levures et moisissures) où l'ozonation, pour de nombreuses raisons est préférée à la chloration. En effet, l'ozone est un gaz oxydant plus puissant que le chlore et qui est en terme de caractère polluant beaucoup moins dangereux.
Outre l'élimination des micro-organismes, il permet l'élimination du fer et du manganèse et améliore ainsi la transparence de l'eau. Enfin, il est un moyen d'élimination de nombreuses odeurs tenaces (odeurs de terre, de moisi...). Cependant, bien qu'ayant une action efficace et rapide, l'ozone est particulièrement instable, en particulier en milieu aqueux. En partie à cause de cette faible stabilité de l'ozone, le chlore et ses dérivés (dioxyde de chlore, chloramines, hypochlorite de sodium...), bien que particulièrement coûteux et de moindre efficacité, sont actuellement largement utilisés dans le traitement des eaux.
Appliquée au traitement des eaux par ozonation, la présente invention permet à la fois d'accélérer et d'améliorer la mise en contact de l'ozone avec ses particules cibles. Elle permet ainsi de pallier efficacement à la faible stabilité de l'ozone.
L'invention concerne également un réacteur de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Un réacteur conforme à l'invention est dit réacteur à impacts multidirectionnels. Un réacteur selon l'invention, de mise en contact gaz/liquide par dispersion d'un gaz dans une composition liquide, comprend :
- au moins une conduite d'amenée d'une composition liquide à traiter et au moins une conduite d'amenée d'un gaz, - une enceinte, dite enceinte d'impact, délimitée par une paroi extérieure,
- des moyens pour établir, dans le réacteur, une pluralité de courants d'un mélange de composition liquide et de gaz,
- des tubes d'alimentation débouchant dans l'enceinte d'impact par des entrées ménagées dans la paroi extérieure ; ces tubes d'alimentation étant adaptés pour faire converger les courants de façon non co-courante dans l'enceinte d'impact,
- au moins une sortie permettant l'évacuation d'une composition, dite composition mixée, résultant de la réunion des courants dans l'enceinte d'impact, caractérisé en ce qu'il comprend également, à l'intérieur de l'enceinte d'impact, une partie de paroi solide, dite paroi d'impact, disposée en regard de chacune des entrées de courant.
Avantageusement et selon l'invention, les tubes d'alimentation sont adaptés pour pouvoir orienter les courants dans l'enceinte d'impact selon des directions sécantes selon une même zone d'intersection théorique, et une partie de paroi d'impact est interposée entre chaque entrée de courants et ladite zone d'intersection théorique.
Avantageusement et selon l'invention, l'enceinte d'impact présente au moins une symétrie axiale, et les tubes d'alimentation sont adaptés pour orienter les courants selon des directions au moins sensiblement radiales par rapport à l'enceinte d'impact.
Avantageusement et selon l'invention, les tubes d'alimentation débouchent dans l'enceinte d'impact par des entrées disposées au moins sensiblement selon un même plan. Avantageusement et selon l'invention, un réacteur à impacts multidirectionnels selon l'invention, est aussi caractérisé en ce que : - les tubes d'alimentation débouchent dans l'enceinte de contact à la périphérie de sa paroi extérieure,
- les différentes parties de paroi(s) d'impact sont à la périphérie d'un corps solide placé dans l'enceinte d'impact en position au moins sensiblement centrale, et en ce qu'il comprend également des moyens permettant de réintroduire dans les courants convergeant dans l'enceinte d'impact, au moins une partie de la composition mixée extraite de l'enceinte d'impact.
Avantageusement, un réacteur à impacts multidirectionnels selon l'invention comprend des moyens permettant d'évacuer du réacteur au moins une partie de la composition mixée et des moyens permettant de réintroduire au moins une autre partie de composition mixée dans les courants convergeant dans l'enceinte d'impact ; l'évacuation et la réintroduction des parties de composition liquide se faisant par au moins une sortie d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact -notamment des sorties d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact opposées-.
Avantageusement et selon l'invention, ledit corps solide est disposé au moins sensiblement axialement dans l'enceinte d'impact et est adapté pour empêcher toute circulation axiale de fluide à travers lui, soit entre les parties de paroi(s) d'impact qu'il forme. Avantageusement et selon l'invention, chaque tube d'alimentation est adapté pour orienter un courant selon une direction au moins sensiblement normale à la partie de paroi d'impact qui le reçoit.
Avantageusement et selon l'invention, le corps solide est convexe et est choisi parmi : une sphère, un cylindre de révolution, un prisme. Avantageusement et selon l'invention, l'enceinte d'impact est de symétrie de révolution autour d'un axe et les parties de paroi d'impact sont formées par une même paroi périphérique symétrique de révolution d'un corps solide placé coaxialement à l'enceinte d'impact.
Avantageusement un réacteur à impacts multidirectionnels selon l'invention comprend des moyens adaptés pour récupérer la fraction de gaz non retenu par la composition mixée et pour la réintroduire dans les courants des tubes d'alimentation. Avantageusement et selon l invention, les tubes d'alimentation sont équipés d'injecteurs utilisant le gaz comme fluide moteur choisis parmi : les injecteurs de type annulaire et les injecteurs de type Nenturi.
Avantageusement et selon l'invention, le corps solide et la paroi extérieure de l'enceinte sont symétriques de révolution et de diamètres tels que le rapport du diamètre du corps solide sur celui de la paroi extérieure est de l'ordre de 0,35 à 0,50.
Avantageusement et selon l'invention, les tubes d'alimentation sont au moins au nombre de trois -préférentiellement au nombre de quatre-. Avantageusement et selon l'invention, un réacteur à impacts multidirectionnels selon l'invention est utilisé dans le cadre du traitement des eaux, notamment chargées en matière organique qu'il s'agit d'éliminer par oxydation.
L'invention concerne ainsi également une installation pour le traitement d'une composition liquide par un gaz mettant en oeuvre un procédé selon l'invention -utilisant notamment au moins un réacteur d'impacts multidirectionnels selon l'invention-.
Avantageusement et selon l'invention, il s'agit d'une installation de traitement des eaux.
Avantageusement et selon l'invention, le réacteur à impacts multidirectionnels est branché en série dans le circuit hydraulique de l'installation et permet de réaliser une ozonation des eaux. Selon une autre variante de réalisation, le réacteur à impacts multidirectionnels est branché en dérivation par rapport au circuit hydraulique de l'installation et permet de réaliser une ozonation des eaux.
Avantageusement et selon l'invention, le réacteur à impacts multidirectionnels est branché en amont d'une tour d'ozonation d'une installation de traitement d'effluent classique ; à l'intérieur du réacteur, les matières organiques oxydées floculent et sont filtrées de l'eau en sortie du réacteur avant de passer dans ladite tour d'ozonation. Dans les tours d'ozonation, l'eau subit un traitement final par ozonation visant l'amélioration des goûts et des odeurs, et la destruction des couleurs. Avantageusement, une installation selon l'invention comprend des moyens permettant de récupérer l'ozone non retenu par le liquide traité dans la tour d'ozonation et d'alimenter, avec cet ozone, le réacteur en gaz traitant.
L'invention concerne aussi un procédé de mise en contact et d'une composition liquide avec un gaz, un réacteur ainsi qu'une installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisés, en combinaison, par tout ou partie des caractéristiques ci-dessus ou ci après.
L'invention concerne aussi un procédé de traitement d'une composition liquide par un gaz, un réacteur ainsi qu'une installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisés, en combinaison, par tout ou partie des caractéristiques ci-dessus ou ci après.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture des exemples suivants qui se réfèrent aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique, en coupe selon un plan vertical, d'un réacteur à impacts multidirectionnels selon l'invention,
- la figure 2 illustre le principe de fonctionnement du réacteur à impacts multidirectionnels selon l'invention,
- la figure 3 représente les courbes d'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée pour différents débits gazeux,
- la figure 4 illustre l'influence du rapport entre le diamètre du tube d'alimentation 3 et le diamètre de l'enceinte d'impact 2, noté D3 D2, sur l'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée,
- la figure 5 représente des courbes d'influence de la taille du diamètre du corps solide cylindrique 4 pour un même diamètre d'enceinte d'impact
2, sur l'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée,
- la figure 6 représente la courbe d'influence du positionnement en hauteur du corps solide cylindrique 4 dans l'enceinte d'impact 2 sur l'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée, - les figures 7, 8 et 9 représentent des courbes d'ozonation de l'acide tannique en fonction du temps de réaction pour un débit respectif de la phase liquide de 2 m3/h, 4 mVh et 6 mVh,
- la figure 10 représente schématiquement une installation de traitement des eaux.
Comme illustré à la figure 1 , un procédé de traitement d'une composition liquide par un gaz selon l'invention peut être avantageusement mis en oeuvre au moyen d'un nouveau type de réacteur, dit réacteur à impacts multidirectionnels 1 qui, de manière préférée, est schématiquement composé d'une enceinte d'impact tabulaire 2, délimitée par une paroi extérieure 2a, se prolongeant par les partie haute et basse du réacteur. L'enceinte d'impact 2 comprend une zone théorique, dite zone d'impact 2b, définie par une densité d'impacts, entre les constituants des différentes phases, très élevée.
Des tubes d'alimentation 3 périphériques, de préférence au nombre de quatre, relient par leurs extrémités la partie basse du réacteur à l'enceinte d'impact 2, au niveau de la zone d'impact 2b. Au niveau de l'enceinte d'impact 2, les tubes d'alimentation 3 débouchent, selon un plan radial à l'axe de l'enceinte. Dans l'exemple représenté, des injecteurs annulaires 5 (un par tube d'alimentation) fixés aux extrémités inférieures des tubes d'alimentation 3 permettent d'envoyer sous pression, dans les tubes d'alimentation 3, le gaz G et la composition liquide L.
Le corps solide 4 présente une forme de préférence convexe assurant la multiplication des impacts des courants, comme une sphère, un cylindre, un prisme. Dans l'exemple représenté, il s'agit avantageusement d'un cylindre fermé à son extrémité supérieure en vue d'éviter toute circulation axiale de fluide et la formation de cyclones parasites lors de l'impact des courants sur sa paroi. Placé coaxialement à l'axe de l'enceinte d'impact 2, le cylindre du corps solide s'étend de part et d'autre de la partie haute et de la partie basse des entrées des tubes d'alimentation 3. Le rapport du diamètre du cylindre 3 sur celui du diamètre du tube 7 constituant la paroi extérieure de la zone d'impact peut être par exemple de l'ordre de 0,35 à 0,50.
Dans le système ici représenté, on peut grossièrement définir la zone d'impact 2b comme étant une zone délimitée par la paroi extérieure 2a de l'enceinte d'impact 2 au niveau ou débouchent les tubes d'alimentation et par la paroi latérale du corps solide 4. La zone d'impact 2b est schématisée dans son principe à la figure 2. Chaque courant, avant de rencontrer un autre courant dans la zone d'impact 2b, vient ainsi se briser sur ladite partie de paroi d'impact, et est dévié de sa trajectoire pour aller frapper la paroi extérieure 2a de l'enceinte d'impact 2 et rencontrer le(les) autre(s) courant(s).
L'invention permet ainsi d'amener la dispersion des phases à un niveau très supérieur à ce qui est permis par les réacteurs actuels et permet une augmentation significative de la rétention gazeuse lors du contact gaz/liquide dans la phase liquide.
Dans l'enceinte d'impact 2, sous la pression des courants convergents propulsés des tubes d'alimentation 3, il se crée des flux de composition mixée ascendants et descendants qui s'évacuent, versie haut et vers le bas.
Une fraction de la composition mixée est ainsi entraînée vers la partie haute du réacteur, l'autre vers la partie basse.
La fraction entraînée dans la partie basse est alors recyclée en direction de la zone d'impact 2b, par effet d'aspiration à travers les courants des tubes d'alimentation 3. La position des injecteurs 5 permet ainsi, hors de la zone d'impact, un fonctionnement du réacteur en système gazosiphon via l'enceinte d'impact 2.
La fraction de la composition mixée entraînée vers la partie haute du réacteur peut être prélevée et évacuée hors du réacteur 1. En tête du réacteur 1 , l'enceinte se termine par une zone, dite zone de dégazage 6, au niveau de laquelle le gaz résiduel non retenu dans la phase liquide s'accumule. Eventuellement, ce gaz résiduel peut être recueilli pour être réintroduit dans les courants des tubes d'alimentation 3.
La figure 10 présente schématiquement, à titre d'exemple, une application particulière d'un réacteur à impacts multidirectionnels 1 selon l'invention pour le traitement des eaux à l'ozone ; ledit réacteur 1 faisant office de réacteur d'ozonation, par exemple, pour la désinfection des eaux. Le traitement réalisé par ce réacteur d'ozonation 1 peut consister en un traitement complémentaire à une désinfection classique par chloration. Il peut également et avantageusement en être une alternative.
Dans l'exemple représenté, le réacteur à impacts multidirectionnels 1 est relié à l'amont et en série au réseau d'une installation d'assainissement. La connexion du réacteur au réseau peut tout aussi bien se faire en dérivation.
L'eau entrant E dans le réacteur 1 , ayant éventuellement subit des étapes de traitement préalables (par exemple de dégrillage, déshuilage décantation primaire... notamment en vue de l'élimination les matières en suspension, les colloïdes, des huiles...) est ozonée. En aval de réacteur 1, des systèmes de décanteur 10, de filtres 1 1 permettent l'élimination des boues et des flocs résultant de l'oxydation des matières organiques. Eventuellement, des traitements chimiques complémentaires peuvent avoir lieu (dénitration décarbonatation, neutralisation du pH...). Eventuellement, dans une cuve 12, l'eau peut subir un conditionnement par adjonction de divers produits en vue de la protéger contre une pollution ultérieure, et/ou en vue de lutter contre la corrosion et/ou l'entartrage des installation. Dans la tour d'ozonation 13, un traitement final, par ozonation, permet d'améliorer le goût et la transparence, et d'éliminer les odeurs de l'eau. De par sa faible stabilité, l'ozone utilisé dans ce type d'installation est produit sur place au moyen d'un ozoneur 14 qui alimente la tour d'ozonation 13. Selon le mode d'application exemplifié, l'ozone résiduel issu de la tour d'ozonation 13 est récupéré en vue d'alimenter le réacteur à impacts multidirectionnels 1. Bien entendu, l'installation décrite et représentée ne constitue en rien une limite à une installation conforme à l'invention, mettant en œuvre un réacteur à impacts multidirectionnels selon l'invention.
Dans ce qui suit, VG et VL expriment respectivement les débits gazeux et liquide injecté dans le système. Ng exprime le volume gazeux et V,, le volume du liquide à traiter. Le rapport Vg/(V, +Vg) exprime en pourcentage la rétention gazeuse εG Dans une mise en oeuvre particulière du procédé objet de l'invention, la composition liquide est constituée par de l'eau, le gaz correspond à de l'air. Les débits appliqués sont pour la phase aqueuse de 6 m3/h et pour l'air de 4 m3/h. Pour une puissance dissipée de 2 kW/m3, on obtient une rétention gazeuse dans la phase liquide dont la valeur est de l'ordre de 50 %. Cette valeur est supérieure à celle relevée avec le meilleur contacteur gaz/liquide connu actuellement du type par exemple de celui décrit dans DE 38 18 991 dans lequel la rétention gazeuse est au maximum de 35 %.
Dans un autre mode de mise en oeuvre préféré de ce réacteur à impacts multidirectionnels, la première phase est une phase liquide constituée par une solution aqueuse d'acide tannique (Réf. Merck 1.00773.1000) choisi comme composé de référence par sa très forte résistance à tous les traitements conventionnels chimiques ou biologiques de dépollution des eaux, la deuxième phase est une phase gazeuse, constituée par de l'air enrichi avec de l'ozone. La concentration initiale d'acide tannique dans la phase liquide est de 35 g/m3. La concentration initiale de l'ozone dans la phase gazeuse est de 19,4 mg/1. A faible puissance dissipée (0,14 kW/m3) correspondant à un débit liquide injecté VL de 2 m3/h, le temps mis pour détruire 23 g/m3 d'acide tannique est d'environ 12 minutes (figure 7). A forte puissance dissipée (3,75 kW/m3) correspondant à un débit liquide injecté de 6 m3/h, le temps mis pour détruire la même quantité d'acide tannique est aux alentours de 8 minutes (figure 9), ce qui est tout à fait remarquable et très supérieur à ce que permettent les contacteurs gaz-liquide actuels.
Le procédé selon l'invention est plus particulièrement illustré par les exemples qui suivent : EXEMPLE 1 :
Le réacteur 1 utilisé pour illustrer l'efficacité du procédé de mise en contact de phases dit à impacts multidirectionnels primaires et secondaires a les caractéristiques dimensionnelles suivantes.
Les quatre injecteurs 5 ont un diamètre extérieur de 50 mm et une hauteur de 250 mm. Le diamètre de l'enceinte d'impact 2 est de 124 mm. Le corps solide cylindrique 4 fermé à l'extrémité supérieure a une hauteur de 34 mm pour un diamètre de 50 mm. Il est positionné de façon à ce que la hauteur entre le sommet fermé du cylindre et le fond du réacteur soit de 880 mm.
Le système fonctionne avec une pompe d'alimentation d'un débit maximal de 6 m3/h sous une pression de 3 bars. La pression est contrôlée par des manomètres. La mesure des débits gazeux VG et liquides VL est effectuée par des débitmètres à flotteurs. Elle permet d'étudier la rétention gazeuse εG dans la phase liquide en fonction de la puissance injectée.
L'évolution de la rétention gazeuse (air/eau) en fonction de la puissance injectée, pour différents débits gazeux, est représentée à la figure 3. Sur l'axe des ordonnées est représentée la rétention gazeuse (%) et sur l'axe des abscisses, la puissance dissipée (kW/m). Les courbes a3, b3, et c3 correspondent aux résultats obtenus avec des débits gazeux respectivement de 4 m3/h, 3 m3/h, 2 m3/h et 1,5 m3/h.
La détermination de la rétention gazeuse est effectuée par la technique dite de différence des hauteurs qui consiste à couper simultanément l'alimentation des deux phases injectées. La différence des volumes de l'émulsion (mélange gaz-liquide) et celui de liquide (sans aération) des deux phases donne le volume de gaz retenu dans le réacteur. Le pourcentage de ce volume par rapport au volume de réacteur donne la rétention gazeuse. Ce paramètre est étudié en fonction du débit du liquide (c'est-à-dire de la puissance injectée) pour différents débits gazeux. Le débit gazeux est fixé. Le débit de liquide varie et à chaque fois la rétention gazeuse est calculée. La puissance injectée est calculée d'après la formule : P = Q*ΔP avec ΔP ≈ pv2/2 où Q est le débit de liquide (en m3/s); ΔP est la perte de charge à la sortie de l'injecteur (en Pa); r est la masse volumique de liquide (en kg/m3), v est la vitesse du liquide à la sortie de l'injecteur (en m/s) et P est la puissance (en W).
EXEMPLE 2 :
Le même dispositif expérimental que celui décrit à l'exemple 1 est utilisé pour tester l'influence de la taille du réacteur sur l'efficacité de transfert. A un débit gazeux VG = 1,5 m3/h, l'influence du rapport entre le diamètre des tubes d'alimentation 3 et celui de l'enceinte d'impact 2, noté (D3/D2) a été étudiée pour différentes puissances injectées. L'influence du rapport D3/D2 sur la rétention gazeuse est représentée à la figure 4. Sur l'axe des ordonnées est représentée la rétention gazeuse (%) et sur l'axe des abscisses, la puissance dissipée (kW/m). Les courbes a4 et b4 correspondent aux résultats obtenus avec des rapports D3/D2 respectivement de 0,242 et 0,484.
Ces résultats montrent que si ce paramètre diminue, la rétention gazeuse augmente.
EXEMPLE 3 :
Le même dispositif expérimental est utilisé pour tester l'influence du diamètre du cops solide cylindrique 4 sur l'efficacité de transfert. A un débit gazeux VG = 1,5 m3 h, l'influence du diamètre du corps solide cylindrique 4 pour un même diamètre D2 de l'enceinte d'impact 2 a été étudiée pour différentes puissances injectées.
L'influence du diamètre du corps solide cylindrique D4 sur la rétention gazeuse en fonction de la puissance injectée (pour un même diamètre d'enceinte d'impact) est représentée à la figure 5. Sur l'axe des ordonnées est représentée la rétention gazeuse (%) et sur l'axe des abscisses, la puissance dissipée (kW/m). Les courbes a5 et b5 correspondent aux résultats obtenus avec des diamètres D4 respectivement de 50 et 30 mm. Ces résultats montrent que la rétention gazeuse augmente avec le diamètre D4 du corps solide cylindrique 4.
EXEMPLE 4 :
Le même dispositif expérimental est utilisé pour tester l'influence de la position du corps solide cylindrique 4 sur l'efficacité de transfert. La hauteur H4 entre le sommet du cylindre et le bas du réacteur varie selon les valeurs visualisées sur la figure 6. A un débit gazeux VG = 1,5 m3/h, son influence sur la rétention gazeuse a été étudiée pour différentes puissances injectées.
L'influence du positionnement en hauteur du corps solide cylindrique 4 dans l'enceinte d'impact 2 sur la rétention gazeuse est représentée à la figure 6. Sur l'axe des ordonnées est représentée la rétention gazeuse (%) et sur l'axe des abscisses, la puissance dissipée (kW/m). Les courbes a6 et b6 correspondent aux résultats obtenus avec des hauteurs (entre le sommet fermé du cylindre et le fond du réacteur) respectivement de 880 mm et 868 mm.
Ces résultats montrent qu'une bonne rétention gazeuse nécessite le positionnement du corps solide cylindrique 4 en position haute. EXEMPLE 5 :
Le même dispositif expérimental est utilisé pour tester l'efficacité du transfert de matière du réacteur à impacts multidirectionnels appliqué à l'ozonation de l'acide tannique. A cet effet, une solution aqueuse d'acide tannique de 35 mg/l (environ) est préparée. Elle est traitée dans le réacteur par l'air ozone à un débit de 0,4 m3/h et à une concentration en ozone de 19,4 mg/l. Le réacteur fonctionne en régime discontinu (ouvert pour le gaz, fermé pour le liquide). L'ozone est produit par un générateur d'ozone à alimentation à air. Ce générateur est de type Trailigaz (ozobloc 5 OC1).
La concentration de l'acide tannique est déterminée par spectrophotométrie UV.
La concentration de l'acide tannique (AT) est suivie au cours du temps pour différentes puissances injectées. La quantité d'acide tannique éliminée en fonction du temps peut être assimilée à une droite (y = a.x), dont la pente "a" est la vitesse moyenne de la destruction de l'acide tannique au cours de l'ozonation. Les figures 7, 8 et 9 représentent des courbes d'ozonation de l'acide tannique (en grammes éliminés par kW) en fonction du temps de réaction pour un débit respectif de la phase liquide de 2 m3/h, 4 m3/h et 6 mVh.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Procédé de mise en contact gaz/liquide par dispersion d'un gaz dans une composition liquide, dans lequel on établit, dans un réacteur (1), une pluralité de courants d'au moins un mélange de composition liquide et de gaz, et on fait converger ces courants de façon non co-courante dans une enceinte, dite enceinte d'impact (2), délimitée par une paroi extérieure (2a), et dans laquelle lesdits courants se réunissent, et on extrait de l'enceinte d'impact (2) au moins un débit de composition, dite composition mixée, résultant de la réunion des courants, caractérisé en ce que, chaque courant entrant dans l'enceinte d'impact est orienté vers une partie de paroi solide en regard, dite paroi d'impact, disposée à l'intérieur de l'enceinte d'impact.
2/ Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'on oriente les courants dans l'enceinte d'impact (2) selon des directions sécantes selon une même zone d'intersection théorique, et on interpose ladite partie de paroi d'impact dans chaque courant à l'amont de ladite zone d'intersection théorique.
3/ Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise une enceinte d'impact (2) présentant au moins une symétrie axiale et en ce qu'on oriente les courants dans l'enceinte d'impact (2) selon des directions au moins sensiblement radiales par rapport à l'enceinte d'impact (2). 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on introduit les courants dans l'enceinte (2) par des entrées disposées au moins sensiblement selon un même plan.
5/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que : - les courants orientés dans l'enceinte d'impact (2) y sont introduits par des entrées réparties à la périphérie de la paroi extérieure (2a),
- on réintroduit dans les courants convergeant dans l'enceinte d'impact (2), au moins une partie de la composition mixée extraite de l'enceinte d'impact (2),
- les différentes parties de paroi(s) d'impact sont à la périphérie d'un corps solide (4) placé dans l'enceinte d'impact (2b) en position au moins sensiblement centrale. 6/ Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la composition mixée est extraite de l'enceinte d'impact (2) par au moins une sortie d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact (2).
Il Procédé selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'on évacue du réacteur au moins un partie de la composition mixée et qu'on réintroduit au moins une autre partie de composition mixée dans les courants, par au moins une sortie d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact (2).
8/ Procédé selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'on évacue du réacteur au moins un partie de la composition mixée et qu'on réintroduit au moins une autre partie de composition mixée, par des sorties d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact (2) opposées.
9/ Procédé selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le coφs solide (4) est disposé au moins' sensiblement axialement dans l'enceinte d'impact (2) et est adapté pour empêcher toute circulation axiale de fluide à travers lui.
10/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on oriente chaque courant selon une direction au moins sensiblement normale à la partie de paroi d'impact qui le reçoit.
1 1/ Procédé selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'on utilise un coφs solide convexe (4) choisi parmi : une sphère, un cylindre de révolution, un prisme.
12/ Procédé selon l'une des revendications 3 à 1 1, caractérisé en ce qu'on utilise une enceinte d'impact (2) symétrique de révolution autour d'un axe, et en ce que, les parties de paroi d'impact sont formées par une même paroi périphérique symétrique de révolution d'un coφs solide (4) placé coaxialement à l'enceinte d'impact (2).
13/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on récupère la fraction de gaz non retenu par la composition mixée, et qu'on la réintroduit dans les courants orientés dans l'enceinte d'impact (2). 14/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que :
- on alimente en continu le réacteur (1) en composition liquide et en gaz, et - on évacue en continu du réacteur (1) la composition mixée.
15/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'on utilise pour établir les courants de mélange de composition liquide et de gaz, des éjecteurs utilisant le gaz comme fluide moteur choisis parmi : les injecteurs de type annulaire (5), les injecteurs de type Venturi.
16/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la composition liquide est une eau et le gaz, un gaz oxydant choisi parmi : l'air, l'oxygène, l'ozone ou un mélange de gaz enrichi en oxygène et/ou en ozone.
17/ Réacteur de mise en contact gaz/liquide par dispersion d'un gaz dans une composition liquide, permettant la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 16, comprenant :
- au moins une conduite d'amenée d'une composition liquide (L) à traiter et au moins une conduite d'amenée d'un gaz (G),
- une enceinte, dite enceinte d'impact (2), délimitée par une paroi extérieure (2a),
- des moyens pour établir, dans le réacteur (1), une pluralité de courants d'un mélange de composition liquide et de gaz,
- des tubes d'alimentation (3) débouchant dans l'enceinte d'impact (2) par des entrées ménagées dans la paroi extérieure (2a) ; ces tubes d'alimentation (3) étant adaptés pour faire converger les courants de façon non co-courante dans l'enceinte d'impact (2),
- au moins une conduite d'évacuation d'une composition, dite composition mixée, résultant de la réunion des courants dans l'enceinte d'impact (2), caractérisé en ce qu'il comprend également, à l'intérieur de l'enceinte d'impact (2), une partie de paroi solide, dite paroi d'impact, disposée en regard de chacune des entrées de courant.
18/ Réacteur selon la revendication 17, caractérisé en ce que les tubes d'alimentation (3) sont adaptés pour orienter les courants dans l'enceinte d'impact (2) selon des directions sécantes selon une même zone d'intersection théorique, et en ce qu'une partie de paroi d'impact est inteφosée entre chaque entrée et ladite zone d'intersection théorique. 19/ Réacteur selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce que l'enceinte d'impact (2) présente au moins une symétrie axiale, et en ce que les tubes d'alimentation (3) sont adaptés pour orienter les courants selon des directions au moins sensiblement radiales par rapport à l'enceinte d'impact (2).
20/ Réacteur selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que les tubes d'alimentation (3) débouchent dans l'enceinte d'impact (2) par des entrées disposées au moins sensiblement selon un même plan.
21/ Réacteur selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que :
- les tubes d'alimentation (3) débouchent dans l'enceinte de contact (2) à la périphérie de sa paroi extérieure (2a),
- les différentes parties de paroi(s) d'impact -sont à la périphérie d'un coφs solide (4) placé dans l'enceinte d'impact (2) en position au moins sensiblement centrale, et en ce qu'il comprend également des moyens permettant de réintroduire dans les courants convergeant dans l'enceinte d'impact, au moins une partie de la composition mixée extraite de l'enceinte d'impact (2).
22/ Réacteur selon l'une des revendications 19 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant d'évacuer du réacteur (1) au moins un partie de la composition mixée et des moyens permettant de réintroduire au moins une autre partie de composition mixée dans les courants convergeant dans l'enceinte d'impact (2) ; l'évacuation et la réintroduction des parties de composition liquide se faisant par au moins une sortie d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact (2).
23/ Réacteur selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'évacuation et la réintroduction des parties de composition liquide se font par des sorties d'extrémité axiale de l'enceinte d'impact (2) opposées.
24/ Réacteur selon l'une des revendications 21 à 23, caractérisé en ce que ledit coφs solide (4) est disposé au moins sensiblement axialement dans l'enceinte d'impact (2) et en ce qu'il est adapté pour empêcher toute circulation axiale de fluide à travers lui. acteur se on une es reven cat ons 24, caractérisé en ce que chaque tube d'alimentation (3) est adapté pour orienter un courant dirigé selon une direction au moins sensiblement normale à la partie de paroi d'impact qui le reçoit. 26/ Réacteur selon l'une des revendications 21 à 25, caractérisé en ce que le coφs solide (4) est convexe et est choisi parmi : une sphère, un cylindre de révolution, un prisme.
27/ Réacteur selon l'une des revendications 19 à 26, caractérisé en ce que l'enceinte d'impact (2) est de symétrie de révolution autour d'un axe et en ce que les parties de paroi d'impact sont formés par une même paroi périphérique symétrique de révolution d'un coφs solide (4) placé coaxialement à l'enceinte d'impact (2).
28/ Réacteur selon l'une des revendications 17 à 27, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens adaptés pour récupérer la fraction de gaz non retenu par la composition mixée et pour la réintroduire dans les courants des tubes d'alimentation (3).
29/ Réacteur selon l'une des revendications 17 à 28, caractérisé en ce que les tubes d'alimentation (3) sont équipés d'injecteurs (5) utilisant le gaz comme fluide moteur choisis parmi : les injecteurs de type annulaire et les injecteurs de type Venturi.
30/ Réacteur selon l'une des revendications 21 à 29, caractérisé en ce que le coφs solide (4) et la paroi extérieure (2a) de l'enceinte d'impact (2) sont symétriques de révolution et de diamètres tels que le rapport du diamètre du coφs solide (4) sur celui de la paroi extérieure (2a) est de l'ordre de 0,35 à 0,50.
31/ Réacteur selon l'une des revendications 17 à 30, caractérisé en ce que les tubes d'alimentation (3) sont au moins au nombre de trois.
32/ Réacteur selon la revendication 31, caractérisé en ce que les tubes d'alimentation (3) sont au nombre quatre. 33/ Installation selon la revendication 32, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un réacteur (1) selon l'une des revendications 17 à 32. 34/ Installation selon l'une des revendications 32 ou 33, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une installation de traitement des eaux.
35/ Installation selon la revendication 34, caractérisée en ce que le réacteur (1) est branché en série dans le circuit hydraulique de l'installation et permet de réaliser une ozonation des eaux.
36/ Installation selon la revendication 34, caractérisée en ce que le réacteur (1) est branché en dérivation par rapport au circuit hydraulique de l'installation et permet de réaliser une ozonation des eaux.
37/ Installation selon l'une des revendications 34 à 36, caractérisée en ce que le réacteur (1) est branché en amont d'une tour d'ozonation d'une installation de traitement d'effluents classique.
38/ Installation selon la revendication 37, caractérisée en ce qu'il comprend des moyens permettant de récupérer l'ozone non retenu par le liquide traité dans la tour d'ozonation et d'alimenter, avec cet ozone, le réacteur (1) en gaz traitant.
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