BE1001231A3

BE1001231A3 - Procede pour mettre en contact des gaz et des liquides.

Info

Publication number: BE1001231A3
Application number: BE8701349A
Authority: BE
Inventors: Istvan Kenyeres; Lehel Koch
Original assignee: Innofinance Altalanos Innovaci
Priority date: 1986-11-28
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1989-08-29
Also published as: FR2607404A1; FR2607404B1; SE8704723L; CA1332833C; DE3740345A1; DK622987A; CH673780A5; GB2199259B; IT8722794A0; HU205724B; FI875253A0; DK622987D0; NL8702839A; GB8727821D0; US4840751A; JPS63141632A; IT1223173B; CN87107997A; GB2199259A; SU1732812A3

Abstract

Procédé de mise en contact de gaz et de liquides, dans lequel le liquide à mettre en contact est dirigé sous la forme d'un jet central de liquide sortant d'une buse (1 à travers l'espace contenant le gaz à mettre en contact), et pénètre dans le liquide à mettre en contact. Une partie du gaz et/ou du liquide à mettre en contact, ou la totalité du gaz, ou une partie du liquide et la totalité du gaz sont dirigées sur la surface du jet central de liquide, sous la forme de jets (3) de gaz ou de liquide dirigés vers la surface du jet central de liquide.

Description


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    Procdpour   mettre en contact des gaz et des liquides. 



   La   prdsente   invention se rapporte   Zi   un   procédé   pour mettre en contact des gaz avec des liquides, dans lequel le liquide   zo   mettre en contact sort d'une buse sous la forme d'un jet de liquide et est dirige, travers l'espace contenant le gaz   A   mettre en contact, de manière   A   pénétrer dans la masse du liquide à mettre en contact. 



   Le contact gaz-liquide, considéré comme l'une 
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 des operations les plus importantes dans plusieurs secteurs de l'industrie, peut déterminer substantiellement la possi- bilité de rdalisation de l'ensemble d'une technique ainsi que les paramètres techniques des produits. 



   Le rendement de la mise en contact d'un gaz et d'un liquide joue un role décisif dans la plupart des traitements aérobies dans l'industrie de fermentation, dans   l'e-   puration biologique   adrobie   des effluents, ainsi que dans de nombreux traitements chimiques. 



   On peut classer les divers systèmes connus de mise en contact gaz-liquide selon la méthode de transfert   d'ener-   gie, comme suit : 
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 - systèmes pneumatiques (colonnes à bulles, rdacteurs A boucle comportant un élévateur à air, etc.) - systèmes mécaniques (aérateurs de surface   A   arbre hori- zontal ou vertical, agitateurs auto-aspirants) - combinaison des systèmes ci-dessus (réacteurs agités   A   diffusion de gaz) - systèmes hydrauliques. 



   En ce qui concerne le rendement du transfert   d'd-   nergie, les systèmes hydrauliques s'avèrent les plus avantageux pour le contact gaz-liquide, comme le montre le grand   developpement   de cette méthode dans les dernières années. 



   Une caractéristique commune des systèmes hydrauliques est que la mise en contact du gaz et du liquide est effectuée par des jets de liquide de diverses formes engen-   drés   par une pompe et une buse d'un certain type. 



   Selon le caractère du jet de liquide, on peut 

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 classer ces procédés comme suit : - procédés utilisant des jets de liquide disperses (tours de pulverisation,   dpurateurs     A   venturi) - traitements utilisant des jets de liquide en deux phases (injecteurs et éjecteurs) - traitements utilisant des jets de liquide homogenes,   cohérentes,   et plongeants. 



   Parmi les systèmes hydrauliques, les procédés de ce dernier type peuvent fournir à la fois le rendement   énergétique   le plus avantageux et le taux de transfert de masse spécifique le plus   élevé   possible (intensité du contact gaz-liquide), ainsi que les coots d'investissement spécifique les plus faibles. 



   Une caractéristique commune des   procédés   à jet de liquide plongeant est que le jet de liquide homogene et coherent, sortant de la buse au-dessus de la surface de la masse liquide, traverse l'espace de gaz au-dessus de la surface du liquide et   pénètre   dans la masse du liquide tout en entraînant une grande quantité du gaz de l'espace gazeux qui existe au-dessus de la surface du liquide. L'entraînement du gaz est effectué d'une manière telle que, du fait de la rugosité de surface du jet de liquide, une couche limite de gaz est créée sur la surface du jet pendant qu'il traverse l'espace de gaz et, lorsqu'elle pénètre dans la masse de liquide en même temps que le jet de liquide luimême, cette couche est brisde en fines bulles sous l'effet des forces de cisaillement entre le jet et la masse de liquide. 



   Le rendement de ces procédés est déterminé simul-   tanément   par la rugosité de surface et la cohésion du jet de liquide, de la manière suivante : - plus la rugosité de surface du jet de liquide est grande, plus le taux d'entraînement de gaz est élevé, de sorte que la quantité de gaz dissous est ainsi augmentée, 

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 - plus le jet de liquide est cohdrent, plus la dispersion de gaz est fine et plus la profondeur de   Penetration   des bulles est grande, (le temps de sdjour des bulles   dtant   ainsi plus long), de sorte que l'intensité du contact est augmentée. 



   D'une manière   generale,   on peut dire qu'aucun des dispositifs connus de mise en contact gaz-liquide à jet plongeant ne peut satisfaire simultanément et avantageusement aux deux conditions susmentionnées,   c'est-à-dire   que les techniques connues peuvent augmenter la rugosité de surface du jet seulement par une diminution simultanée de la cohesion du jet de liquide, ou inversement. 



   Pour augmenter la rugosité de surface du jet de liquide, l'une ou la combinaison des   methodes   suivantes est   utilisde   sans exception par tous les procédés connus (voir par exemple Chem. Eng. Sei, 1161/1981/ ; Chem. Eng. 
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  Commun. 15, 367/1982/ demande de brevet hongrois publide n  3901/81) - d'une buse ayant une forme différente de la configuration hydraulique optimale - augmentation de la vitesse du jet de liquide - augmentation du degré de turbulence du jet de liquide - augmentation de la longueur libre du jet de liquide. 



   L'inconvénient commun de ces   methodes   est que, d'une part, elles entraînent des pertes hydrauliques sensibles, diminuant ainsi le rendement énergétique de la mise en contact, et, d'autre part, toutes ces méthodes ont pour effet de diminuer la cohésion du jet, ce qui diminue l'in-   tensité   du contact. 



   La présente invention a pour objet d'éviter les inconvénients ci-dessus, par optimisation simultanée mais indépendante de ces deux paramètres qui sont responsables du rendement du procédé, à savoir la rugosité de surface et la cohésion du jet, afin de satisfaire aux exigences   spe-   cifiques de toute opération de mise en contact d'un gaz et 

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 d'un liquide. 



   L'invention est basée sur la constatation que la surface du jet de liquide peut directement être rendue rugueuse sans diminuer sensiblement 1a cohésion du jet de liquide, si on souffle sur la surface du jet le gaz   A   mettre en contact ou une partie du gaz et/ou du liquide. 



   Ainsi, l'invention a pour objet un   procedd   pour mettre en contact des gaz et des liquides, dans lequel le liquide   A   mettre en contact est dirigé sous la forme d'un jet central de liquide sortant d'une buse,   A   travers l'espace contenant le gaz à mettre en contact, et il pénètre dans le liquide   A   mettre en contact. 



     Conformdment   au procédé de l'invention, une partie du gaz et/ou du liquide à mettre en contact, ou la totalité du gaz, ou une partie du liquide et la totalité du gaz, sont   dirigdes   sur la surface du jet central de liquide, sous la forme de jets de gaz ou de liquide dirigés vers la surface du jet central de liquide. 



   En ce qui concerne l'obtention de la rugosité de surface du jet de liquide, on peut obtenir un effet sensiblement identique par soufflage du gaz ou du liquide sur la surface du jet.   Généralement,   l'emploi d'un jet de gaz est préférable lorsque la mise en contact gaz-liquide est effectuée dans un reacteur   ferme. dans lequel le   gaz   A   mettre en contact devrait de toute façon être introduit sous pression. 



   11 est en   general   préférable d'engendrer la rugosité simultanément au moyen de jets de gaz et de liquide lorsque la quantité ou la pression du gaz à mettre en contact n'est pas suffisante pour engendrer la rugosité de surface ndcessaire. 



   On préfère en   general   engendrer la rugosité au moyen d'un jet de liquide lorsque la mise en contact est effectuée dans un   Systeme   ouvert et que le   gaz d   mettre en contact est l'air   atmosphdrique   lui-meme, par exemple dans 

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 le cas du traitement biologique d'eau usée, de l'aeration d'eaux de surface ou pour des bassins de pisciculture. 



   Les jets de gaz ou de liquide utilisés pour créer une rugosité débouchent d'orifices ayant de préférence des sections transversales circulaires et disposés uniformément autour du jet de liquide coherent, ou bien d'une fente encerclant le jet de liquide. 



   En ce qui concerne le résultat de la rugosité, les jets de gaz et/ou de liquide peuvent être dirigés sur la surface du jet coherent de liquide, en tout point entre la sortie de la buse et le point de plongée. Il est toutefois préférable d'engendrer la rugosité aussi près que possible de la sortie de la buse, puisque la longueur libre du jet de liquide peut de cette façon être sensiblement diminuée. 



   Le jet de gaz ou de liquide utilise pour créer une rugosité peut être dirigé vers l'aval ou vers l'amont par rapport au flux du jet central. Pour obtenir la rugosité appropriée, il est avantageux de maintenir un angle d'au moins   50 entre   ces jets de gaz et/ou de liquide et le jet central. 



   Les principaux avantages du procédé conforme   A   l'invention, par rapport aux solutions connues, peuvent   etre     resumes   comme suit : a) le rendement énergétique de la mise en contact est sensiblement augmente, de 30 a 60% environ, 
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 b) la plage d'application peut etresensiblementetendue, c) la fiabilité de conceptionnet est améliorée, d) la plage des paramètres de réglage est nettement etendue, meme dans le même traitement, e) la longueur libre du jet de liquide peut ment rdduite, ce qui procure une meilleure utilisation du volume de réacteur. outre les dispositions qui   precedent,   l'invention comprend encore d'autres dispositionsqui ressortiront de la 

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 description qui va suivre. 



   L'invention sera mieux comprise à   l'aide   du complément de description   ci-auprès   qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels les figures 1 et 2 illustrent les buses utilisées dans les exemples 1 et 2, respectivement. 



   Le procédé conforme à l'invention est illustré en détail par les exemples ci-après. 11 doit être bien entendu, toutefois, que ces exemples sont donnés uniquement   A   titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en   aucune manibre   une limitation. 



  EXEMPLE   1  
On met en circulation 0, 3 m3 de solution au moyen d'une pompe, dans une cuve rectangulaire ouverte d'une largeur de 0, 5 m et d'une hauteur de 2 m, par   l'intermediaire   d'une buse de 20 mm de diamètre. 



   La solution contient   0, 5 krnole/mJ de   sulfite de sodium et 0, 001 kmole/m3 de sulfate de   cobalt. Latemperatu-   re de la solution est maintenue à 30 C. La longueur libre du jet de liquide est de 0, 3 m. 



   Le debit du liquide mis en circulation par la pompe est de   20,   4   m3/h.   On dirige 4% du liquide en circulation perpendiculairement sur la surface du jet de liquide (figure 1), par   l'intermediaire   de trous 3 ménagés sur un anneau 2 en tube de cuivre de 10 mm de diamètre qui est placé autour du jet de liquide sortant de la buse 1. Douze trous de 1, 2 mm de diamètre sont disposés à intervalles égaux sur l'anneau. La distance entre les trous et la surface du jet de liquide est de 40 mm, et la distance entre l'anneau et la sortie de la buse est de 10 mm. 



   Par la méthode connue de mesure de l'oxydation du sulfite de   sodium f V.   Linck et V. Vacek,   Chem.   Eng. Sei. 



  36,1747   (1981)/,   on trouve que le taux de transfert volume- 
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 trique d'oxygène est de 27, kg de o2/m3. ce qui corres- pond   6   un debit d'introduction d'oxygène de 8, 16 kg de   02/h.   



  La puissance hydraulique absorbée par la pompe est de 0, 91 kW, 

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 de sorte que le rendement   énergétique   de l'introduction d'oxygène est de 8, 97 kg de 02/kWh. 



  EXEMPLE COMPARATIF de l'Exemple 1
On applique le   procédé   décrit dans l'exemple 1 ci-dessus, sauf en ce qu'on ne dirige pas de liquide sur le jetde liquide. Dans ce cas, le débit de transfert   vo1umétri-   que d'oxygène est de 16, 8 kg de   02/m3.     h,   le debit d'intro- 
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 duction d'oxygène est de 5, kg de et le rendement 
04énergétique de l'introduction d'oxygène est de 5, 54 kg de 02/kWh. 



   Sur la base de cette comparaison, on obtient une amélioration de   61, 9% à   la fois dans le débit de transfert volumétrique   d'oxygène,   c'est-a-dire dans   1'intensité   de la mise en contact gaz-liquide, ainsi que dans le rendement   énergétique,   lorsqu'on utilise le procédé suivant l'invention. 



  EXEMPLE 2
On   repete   le traitement de l'exemple 1, avec les différences ci-après. 



   Le débit du liquide en circulation est de 18, 9 m3/h et la puissance hydraulique d'entrée de la pompe est de 0, 74 kW. 



   Dans ce cas, ä la place du liquide utilisé dans l'exemple 1, on dirige de l'air par 1'intermédiaire d'un anneau en tube de cuivre de 10 mm de diamètre placé autour du jet de liquide. Six trous de 1, 5 mm de diamètre sont disposés ä intervalles égaux sur l'anneau. Par rapport ä la direction horizontale, les trous sont dirigés suivant un angle de 15  vers le bas. La distance entre les trous et lejet de liquide est de 21 mm et la distance entre l'anneau et la sortie de la buse est de 50 mm. Le debit de l'air sortantpar les trous est de   4, 5 Nm3/h,   ce qui correspond ä une   entree   de puissance   supplementaire   de 0, 1 kWen plusdel'entree de puissance hydraulique de la pompe. 



   Par la méthode de mesure ddcrite dans l'exemple 1, 

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 on trouve un taux de transfert volumétrique d'oxygène de 21, 7 kg de   02/m3. h,   un débit d'introduction d'oxygene de 6, 52 kg de 02/h et un rendement   énergétique   de 7, 82 kg de 02/kWh. 



  EXEMPLE COMPARATIF de l'Exemple 2
On applique le   procédé   décrit dans l'exemple 2, mais sans soufflage d'air. De cette manière, on mesure des valeurs de 12, 03 kg de   o2/mJ. h, 3, 61   kg de   02/h   et 4, 92 kg de   02/kWh.   



   Sur la base de cette comparaison, on trouve une amélioration de 80, 7 % de l'intensité de la mise en contact, tandis que le rendement énergétique est   amélioré   de   58, 9%.   



  EXEMPLE 3
On fait circuler   0,   1 m3 d'une solution ayant la composition ddcrite dans l'exemple 1, au moyen d'une pompe, ä travers une buse de 10 mm de diametre, dans une cuve fer-   mee   de 0, 45 m de diamètre et 1, 5 m de hauteur. Le débit du liquide mis en circulation par la pompe est de   6,   84   m'/h   et l'entrée de puissance hydraulique de la pompe est de 0, 56 kW. 



   On introduit de l'air dans la cuve   ä   un debit de 16   Nm3/h,   par une fente 3 de 0, 5 mm de large, définie par un profilé 2 en polyamide emmanché surle corps de la buse 1 qui est également en polyamide (figure 2). La distance de la fente ä la surface du jet de liquide est de 5 mm et un angle de   150 est défini   entre l'air sortant et le jet de liquide. L'introduction d'air demande une entrée de puissance de 0, 18 kW. L'air sort   ä   la partie supérieure de la cuve par un orifice de 20 mm de   diamètre situé à   une distance de 200mm de   l'axe.   La longueur libre du jet de liquide est de 0, 4 m. 



   Dans ce cas, on trouve que le taux de transfert volumétrique d'oxygène est de 41, 2 kg de   02/m. h.   Par suite, le débit d'introduction d'oxygbne est de 4, 12 kg de 02/h et le rendement énergétique de l'introduction d'oxygene est de 

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 5,57 kg de 02/kW.   h.   



  EXEMPLE COMPARATIF de   l'Exemple 3  
On répète le procédé décrit dans l'exemple 3,   ä   la différence que l'air   b   mettre en contact est introduit verticalement vers le bas, à la partie supérieure de la cuve, par un orifice de 20 mm de diamètre situé à une distance de 200 mm de l'axe, tandis que l'air use sort de la cuve par un orifice de même dimension situe à l'opposé et   A   la   meme   distance. Ainsi, on introduit la même quantité d'air que ci-dessus dans le système, sans le diriger directement sur le jet de liquide.

   Le taux de transfert volumetrique d'oxygène est de 29, 0 kg de   02/m3. h,   ce qui correspond à un débit d'introduction d'oxygène de   2, 9 kg   de 02/h et   A   un rendement d'introduction d'oxygène de 3, 92 kg de 02/kWh, respectivement. 



   Sur la base de cette comparaison, on obtient une amélioration de 42, 1 % à la fois de l'intensité du transfert d'oxygène et de son rendement. 



  EXEMPLE 4
On répète le procédé décrit dans l'exemple 1, sauf en ce qu'on utilise un anneau d'introduction d'air au-dessous de l'anneau d'introduction de liquide suivant l'exemple 2. Ainsi, la rugosité du jet de liquide est engendrée simultanément par la direction de liquide et d'air sur la surface du jet. 



   On trouve que le taux de transfert volumétrique 
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 d'oxygbne est de 30, de 02/m3. ce qui correspond à une introduction de 9, 27 kg de o2/h, c'est-à-dire à un rendement énergétique de 9, 18 kg de   o/kWh.   



  EXEMPLE COMPARATIF de l'Exemple 4
On répète le   procédé   décrit dans l'exemple 4, à la différence qu'on n'injecte ni air ni liquide, c'est- à-dire qu'on suit l'exemple comparatif de l'exemple 1. Ainsi, le   procédé   suivant l'invention procure une augmentation de 

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 83, 9% de l'intensité de contact et une augmentation de 65, 7 % du rendement énergétique. 



   Ainsi que cela ressort de ce qui   precede,   l'invention ne se limite nullement   A   ceux de ses modes de mise en oeuvre et d'application qui viennent   d'être   décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir   A   l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de   1a présente   invention.

Claims

Revendication 1. procédé pour mettre en contact des gaz et des liquides, dans lequel le liquide à mettre en contact est dirigé sous la forme d'un jet central de liquide sortant d'une buse zea travers l'espace contenant le gaz A mettre en contact, et pénètre dans le liquide à mettre en contact, caractérisé en ce qu'il consiste A diriger une partie du gaz et/ou du liquide A mettre en contact, ou la totalité du gaz, ou une partie du liquide et la totalité du gaz, sur la surface du jet central de liquide, sous la forme de jets (3) de gaz ou de liquide diriges vers la sur- face du jet central de liquide sortant de la buse princi- pale.