Brevet FR2012221A1 — publié le 19700313

i 2012221 La présente invention se rapporte à un appareil de séparation du type cuve de décantation ou de dépôt par gravité dite "Settler", qui sert à séparer deux liquides non miscibles de densités différentes en partant d'une dispersion 5 d'un liquide dans l'autre. Dans le cours de divers traitement* il est nécessaire de mettre deux liquides non miscibles en contact intime entre eux. Cette opération s'effectue par agitation ou au moyen d'un écoulement turbulent ; sous cet effet, l'un des 10 liquides se disperse dans l'autre. L'agitation ou la turbulence intense rend généralement la séparation consécutive des deux phases liquides difficile en raison de la petite dimension et de la grande stabilité des gouttelettes de la phase dispersée. Il en résulte que la séparation est très lente-et 15 exige des cuves ou bacs de grande dimension. Cette phase de séparation peut poser des problèmes différents suivant la nature de la dispersion j par exemple, a) lorsqu'une dispersion contenant une petite fraction volumétrique de la phase dispersée (par exemple moins de 20 5 %) est introduite dans tin appareil de décantation par gravité, le principal mécanisme physique qui détermine la vitesse de séparation est le dépôt libre des gouttelettes individuelles. ■ Les solutions connues proposées pour perfectionner 25 les appareils de décantation par gravité pour ce type de problème étaient de deux formes. Dans une solution, on réduit par divers moyens la distance totale de dépôt des diverses gouttelettes des phases dispersées, c'est-à-dire la distance qui sépare la masse principale du courant de l'interface col-30 lectrice. Dans certains dispositifs réels, tels que des oou-ches de matières granulaires ou fibreuses tassées à travers lesquelles on fait passer la dispersion, on forme une pellicule collectrice de la phase dispersée sur le substrat solide qui est mouillé préférentiellement et on divise à nouveau cette 55 pellicule en gouttes plus grosses, qui sont faciles à séparer. Ces dispositifs se comportent comme des préc o aie se eurs et leur fonctionnement dépend notablement de la grande surface spécifique et de lrétroitesse des canaux de ces couches tassées. Dans d'autres appareils déjà connus, on fait couler la sus-40 pension à travers un labyrinthe de chicanes» en tirant parti 69 2230& 2 2012221 de.divers mécanismes hydrodynamiques de séparation (les effets de l'inertie, des couches limites, etc...). En*principe, tous ces mécanismes de séparation sont utilisés de la même façon pour la séparation des poussières ou brouillards des' 5 gaz. Pour la plupart des applications, on utilise ces dispositifs de façon à former une dispersion concentrée de la phase dispersée dans un courant et une phase continue plus pure dans l'autre courant, c'est-à-dire que ces dispositifs se comportent comme des épaississeurs plutôt que comme des sépara-10 teurs (coalesceurs). Dans l'autre solution, on augmente la vitesse de dépôt libre en faisant agir un champ centrifuge ou électrique . b) Lorsque les dispersions contiennent une phase 15 dispersée représentant une fraction volumétrique importante (10 à 70 °/°) ? le principal mécanisme physique qui détermine la vitesse de séparation de l'appareil est la coalescense des gouttes dispersées, qui sont entassées dans la couche intermédiaire de la cuve de dépôt par gravité, par la coales-20 cence entre gouttes et la coalescende entre les gouttes et 1* interface.Le mécanisme de ces phénomènes de coalescenee, qui s'établissent dans des systèmes composés de millions de gouttes, est très compliqué et peu connu actuellement et aucun des perfectionnements apportés aux cuves de dépôt par gravité 25 qui travaillent dans ces conditions n'a prétendu..jusqu^à ■ présent modifier notablement le régime de coalescence de la couche intermédiaire tassée dans ces appareils . Tous les perfectionnements qui ont été proposés jusqu'à présent" concernaient des caractéristiques de construction qui visaient 50 à éliminer les effets préjudiciables de la turbulence et des énergies cinétiques des phases d'entrées et de sorties sur la coalescenee qui se produit dans la couche intermédiaire tassée-à l'intérieur de l'appareil. Le but de la présente invention est de réaliser 35 line cuve de dépôt par gravité perfectionnée capable d'assurer une séparation plus rapide des deux phases que les cuves de dépôt par gravité connues utilisées pour l'application indiquée au paragraphe b) ci-dessus* L'invention a pour objet un appareil de décantation par gravité destiné à .la séparation des deux phases de disper40 69 22306 3 2012221 sions de liquides non miscibles présentant des densités différentes, dispersions dans lesquelles la phase dispersée représente 10 à 70 % du volume de la dispersion totale, caractérisé en ce qu'il comprend un distributeur d'entrée, line ch.ambre de 5 dépôt, une chambre supérieure collectrice de la phase légère et une chambre inférieure collectrice de la phase lourde ; au moins deux empilements de plaques inclinées espacées verticalement, qui sont placés à l'intérieur de la chambre de dépôt et disposés, de façon que, sur un côté de chaque empilement 10 existe un canal collecteur vertical en direction duquel les plaques de l'empilement s'inclient de haut en bas tandis que, sur le côté opposé du même empilement, existe un canal collecteur vertical en direction duquel les plaques des empilements s'inclinent de bas en haut ; une cloison verticale qui est 15 perforée au moins dans une région correspondant à une zone médiane des empilements, et qui sépare le distributeur d'entrée de la chambre de dépôt ; et des cloisons perforées sensiblement horizontales, interposées l'une entre la région inférieure de la chambre de dépôt et la chambre collectrice 20 de la phase lourde et l'autre entre la région supérieure de la chambre de dépôt et la chambre collectrice de la phase légère. Les canaux collecteurs verticaux peuvent être formés entre deux empilements voisins et peuvent également être formés entre un empilement et une paroi latérale, de la chambre 25 de dépôt. Les plaques inclinées divisent une grande partie de la chambre de dépôt en un certain nombre de petits - espaces délimités par les plaques de sorte que la vitesse totale de coalescence des gouttelettes est très notablement augmentée 30 et que la capacité de séparation de l'ensemble de l'appareil est améliorée. La cloison séparant le distributeur d'entrée de la chambre de dépôt se comporte comme un inducteur de coalescence et, comme tel, il travaille de la même façon que. le diffuseur 35 décrit, par exemple, dans le brevet français ÎT° 1 483 991. Par ailleurs, cette cloison distribue la dispersion aux divers espaces compris entre les plaques des empilements, en particulier aux niveaux intermédiaires de ces empilements. Finalement, cette cloison sert à ralentir l'écoule-40 ment de la dispersion à son. arrivée et, à cet effet, la section 69 22306 » 2012221 totale d'écoulement des perforations doit de préférence être supérieure à celle de la conduite à travers lequel la dispersion est introduite dans le distributeur d'entrée. De même, les cloisons séparant la chambre de dépôt 5 des chambres collectrices des deux phases ont pour fonction de ralentir les vitesses linéaires d'écoulement des phases séparées lorsque ces dernières vitesses tendent à êtrè trop grandes et, de ce fait, à affecter défavorablement la stabilité de l'opération de décantation, et à aspirer ou entraîner 10 une partie de l'une des deux phases séparées pour la remélanger à l'autre. En pratique, la vitesse linéaire de l'écoulement peut être d'environ 1 à 10 cm/s dans les espaces compris entre les plaques des empilements, d'environ 10 à 100 cm/s dans les 15 canaux collecteurs verticaux, et inférieure à chacune de ces valeurs dans la région des cloisons d'entrée et de sortie. lies perforations de toutes les cloisons peuvent avoir n'importe quelle forme désirée. Ces perforations peuvent être des trous ronds ou elliptiques, des fentes allongées 20 ou des ouvertures équivalentes ou bien encore les cloisons peuvent être constituées par des parméaux de persiennes ou équivalents. Du fait de l'inclinaison des plaques, il se produit dans les espaces compris entre ces plaques une migration à 25 contre-courant des phases en cours âe séparation, la phase légère s1 élevant en direction du canal collecteur vertical situé aux extrémités supérieures des plaques tandis que la phase lourde descend vers le canal collecteur vertical situé aux extrémités inférieures des plaques,» 30 Entre les deux phases séparées qui s'écoulent en sens opposés dans chacun des espaces compris entre les plaques, il existe une couche tassée de la dispersion non séparée. La phase légère s'élève du ou des canaux collecteurs verticaux où elle se rassemble, en direction de la cloison 35 supérieure pour passer dans la chambre collectrice supérieure. De même, la phase lourde descend des canaux collecteurs verticaux où elle se rassemble., vers la cloison inférieure pour passer dans la chambre collectrice inférieure. Les phases sont évacuées des chambres collectrices de la façon désirée. 40 . La capacité, de séparation de l'appareil suivant 69 22306 5 2012221 l'invention est d'autant plus grande que la distance verticale d'écartement entre deux plaques consécutives des empilements est plus faible. Toutefois, cette distance ne doit pas être trop petite. On a constaté que les distances de 5 à 60 m, 5 et de préférence entre 10 à 40 m, sont particulièrement bien appropriées. En outre, l'écartement entre les plaques consécutives doit de préférence être lié à la haùteur totale de l'empilement par une certaine relation, le rapport préféré étant de 1 : 10 à 1 : 100. 10 II se révèle également qu'en pratique la largeur des plaques doit également être liée à l'écartement vertical entre plaques par une certaine relation et que l'on obtient les performances optimales de l'appareil lorsque la largeur des plaques est égale à 5 à 20 fois l'écartement vertical entre deux 15 plaques consécutives. Dans une forme préférée de idéalisation, 11 appareil présente une forme sensiblement cylindrique, le distributeur d'entrée est de section circulaire et occupe le centre de l'appareil, la chambre de décantation est disposé'e concentri-20 quement autour du distributeur d'entrée et les chambres' collectrices forment une chemise concentrique autour de la chambre collectrice, chacune des chambresoccupant à peu près la moitié de la hauteur de l'appareil, et plusieurs empilements sont disposés radialement, chaque empilement ayant sensible-25 ment la forme d'un secteur circulaire et les empilements étant séparés par des canaux collecteurs radiaux sensiblement rectangulaires» Dans une autre forme de réalisation,1'appareil présente en plan une forme rectangulaire, les empilements - s'éten-30 dent soit dans le sens de sa longueur, soit dans le sens transversal, le distributeur d'entrée est situé- à une extrémité des empilements et les chambres collectrices sont placées à l'extrémité opposée des empilements. L'angle d'inclinaison des' plaques doit.être de 2° 35 à 40°, et de préférence de 5° à 15°. On a constaté qu'avec un appareil suivant l'invention, la séparation est beaucoup plus rapide qu'avec les appareils de séparation classiques. Il en résulte que, pour le même débit, les appareils suivant l'invention demandent une surface 40 au sol beaucoup plus petite. L'expérience a montré jusqu'à 69 2?306 6 2012221 présent que, lorsque, pour un débit de 280 m$/h d'une dispersion d'essai, un appareil de séparation classique exige environ 16 nâ d'espace au sol tandis que l'appareil suivant l'invention ne demande que 3 m2. 5 la description qui va suivre5en regard du dessin an nexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée» La figure 1 est une coupe d'un appareil séparateur suivant l'invention prise suivant la ligne 1-1 de la figure 3« 10 La figure 2 est une coupe partielle suivant la ligne II-II de la figure 3» La figure 3 est une vue en plan, en partie en coupe horizontale, de ce même appareil. La figure 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de 15 la figure 6, montrant un appareil séparateur suivant une deuxième forme de réalisation de l'invention. La figure 5 est une coupe suivant la ligne V-V de la figure 6. - La figure 6 est une vue en plan, en partie en coupe 20 horizontale suivant la ligne VI-VI de la figure 4. L'appareil de décantation suivant les figures 1 à 3 comprend une cuve cylindrique 1 dans laquelle sont formés : un distributeur d'entrée 2, de section circulaire, délimité par une cloison cylindrique, perforée 3* qui s'étend sur toute ?'5 la hauteur de la cuve 1 et qui présente principalement sa perforation dans sa zone médiane ; une chambre annulaire de dépôt 4 formée entre la cloison 3, une paroi cylindrique non perforée 5 et des parois supérieure et inférieure perforées" 6 et 7 respectivement ; et une chemise qui entoure la chambre de dé-30 pot. Une conduite d'alimentation 8 débouche dans le distributeur d'entrée 2 pour l'alimenter en dispersion» A l'intérieur de la chambre de dépôt sont placés des empilements 9» 9a de plaques 10, qui sont disposés radia-lement, et qui délimitent des canaux collecteurs verticaux 35 11, 11a entre les empilements. Les plaques ont des inclinaisons opposées dans les empilements successifs de sorte que les plaques de deux empilements adjacents 9, 9a s'inclinent vers le bas en direction du canal collecteur 11 qui les sépare et que les plaques du même empilement 9a et d'un empilement voisin 9 40 sont inclinées vers le haut en directicoa du canal collecteur 69 22306 7 2012221 11a qui les sépare (figure 2). Le volume de la chemise qui entoure la chambre de dépôt est divisé par une cloison horizontale 12 en une chambre collectrice inférieure 13 qui entoure la moitié inférieure de 5 la chambre de dépôt et se prolonge au-dessous du fond perforé 7 de cette chambre, et -une chambre collectrice supérieure .14 qui entoure la moitié supérieure de la chambre de dépôt, ces . chambres ayant des raccords de sortie 15 et 16 respectivement. Dans la paroi supérieure perforée 6 de la chambre de dépôt 10 sont formées des rainures radiales non perforées 17 qui constituent des rigoles servant à recueillir la phase légère lorsqu'elle traverse la paroi supérieure 6 de bas en haut et à guider cette phase dans la chambre collectrice 14. Si, dans une forme de réalisation de l'invention 15 dans laquelle la largeur des plaques croît du centre de l'appareil vers sa périphérie, on doit maintenir un certain rapport entre la largeur des plaques et leur écartement vertical mutuel, c'est la largeur moyenne des plaques qu'on devra prendre comme base pour le calcul. 20 Le fonctionnement est le suivant : On introduit la dispersion dans le distributeur d'entrée par l'intermédiaire de la conduite 8 et de là cette dispersion est distribuée aux empilements dans lesquels elle s'écoule dans les espaces compris entre les plaques, comme représenté par les flèches 25 sur les figures 1 et 2. La phase légère s'écoule de bas en haut dans ces espaces, pénètre dans les canaux collecteurs centraux lia, puis traverse, la paroi supérieure 6 de bas en haut pour s'écouler dans les rigoles 17 et poursuit son trajet pour pénétrer dans la chambre collectrice 14 d'où elle 30 est évacuée à travers la sortie 16. La phase lourde s'écoule de haut en bas dans les espaces formés entre les plaques pour pénétrer dans les canaux collecteurs verticaux 11, puis traverse le fond perforé 7 pour pénétrer dans la chambre collectrice inférieure 13 d'où 35 elle est évacuée à travers la sortie 15» L'appareil suivant les figures 4 à 6 comprend une cuve rectangulaire allongée 101 dans laquelle sont formés un distributeur d'entrée 102 de section rectangulaire, entre une paroi d'extrémité de la cuve 101 et une cloison perforée 40 transversale verticale 103 qui s-'étend sur toute la hauteur 69 22306 8 2012221 de la cuve 101 et dont les perforations sont principalement concentrées dans sa zone centrale ; et une chambre de dépôt rectangulaire allongée 104 formée entre la cloison 103 et la cloison terminale non perforée 105, ainsi qu'entre des parois 5 perforées supérieure et inférieure, 106 et 107 respectivement, et un espace d'écoulement ou de drainage 105a, situé à l'extrémité de la chambre de dépôt et formé entre la cloison 105 et la paroi d'extrémité de la cuve 101 qui fait face à cette cloison, ainsi qu'entre la paroi perforée supérieure 106 et 10 la paroi supérieure de la cuve 101 et entre la paroi perforée inférieure 107 et la paroi inférieure de la cuve 101. Une conduite d'alimentation 108 débouche dans le distributeur d'entrée 102 pour l'alimenter en dispersion. A l'intérieur de la chambre de dépôt sont placés 15 quatre empilements 109, 109a de plaques 110, disposés longitudinal ement , des canaux collecteurs verticaux 111, 111a étant prévus entre ces empilements ainsi qu'entre les empilements et lesv parois latérales longitudinales de la cuve 10.1. Les plaques ont des pentes opposées dans les empilements consécu-20 tifs de sorte que les plaques des deux empilements centraux 109, 109a, sont inclinées de haut en bas en direction du canal collecteur vertical central 111 qui les sépare et sont inclinées vers le haut, en direction des canaux collecteurs verticaux Î11£ qui les séparent des empilements extérieurs, les-25 quels sont à leur tour inclinés de haut en bas en direction des canaux collecteurs verticaux extérieurs .111. L'espace de drainage ou écoulement est divisé, par une cloison horizontale 112, en une chambre collectrice inférieure 113 qui se prolonge sous la paroi inférieure perforée 30 107? une chambre collectrice supérieure 114, qui se prolonge au-dessus de la paroi supérieure perforée 106, ces deux . chambres étant équipées respectivement de raccords de sortie 115 et 116. Dans.la paroi supérieure perforée 106 de la chambre de dépôt, sont formées des rainures radiales non perforées 35 114, constituant des rigoles qui servent à collecter la phase légère, lorsque cette dernière s'écoule de bas en haut à travers la paroi supérieure 106, et à la guider vers la chambre collectrice 1i4. Le fonctionnement de l'appareil suivant cette forme 40 de réalisation est ranalogue .à celui de l'appareil décrit en se référant aux figurés i à 3; ' 1 69 22306 9 2012221 REVENDICATIONS 1 - Appareil de décantation par gravité destiné à la séparation des deux phases de dispersions de liquides non miscibles présentant des densités différentes, dispersions 5 dans lesquelles la phase dispersée représente 10 à 70 % du volume de la dispersion totale, caractérisé en ce qu'il comprend un distributeur d'entrée, une chambre de dépôt, une chambre supérieure collectrice de la phase légère et une chambre inférieure collectrice de la phase lourde ; au moins deux empi-10 lements de plaques inclinées espacées verticalement qui sont, placés à l'intérieur de la chambre de dépôt et disposés de façon que, sur un. côté de chaque empilement existe un canal collecteur vertical en direction duquel les plaques de l'empilement s'inclinent de haut en bas tandis que, sur le côté 15 opposé du même empilement, existe un canal collecteur vertical en direction duquel les plaques des empilements s'inclinent de bas en haut ; une cloison verticale qui est perforée, au moins dans une région correspondant à une zone médiane des empilements, et qui sépare le distributeur d'entrée de 20 la chambre de dépôt ; et des cloisons perforées sensiblement horizontales, interposées l'une entre la région inférieure de la chambre de dépôt et la chambre collectrice de la phase lourde et l'autre entre la région supérieure de la chambre de dépôt et la chambre collectrice de la phase légère. 25 2 - Appareil suivant la revendication 1, caracté risé en ce qtx'il est constitué par un appareil sensiblement cylindrique dans lequel le distributeur d'entrée présente une section circulaire et occupe le centre de l'appareil, la chambre de dépôt est disposée concentriquement autour de ce 30 distributeur, les chambres collectrices forment une chemise concentrique autour de la chambre de dépôt, chacune de ces deux chambres ocoupant à peu près la moitié de la hauteur de l'appareil, et plusieurs empilements sont disposés radialement et ont sensiblement la forme de secteurs circulaires dégi-35 nissant entre eux des canaux collecteurs radiaux de forme sensiblement rectangulaire. 3 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un appareil de forme sensiblement rectangulaire dans lequel les empilements s'étendent, 40 soit dans le sens longitudinal, soit dans le sens transversal, 69 22306 10 2012221 le distributeur étant situé à une extrémité des empilements et les chambres collectrices à l'extrémité opposée de ces empilements. 4 - Appareil suivant les revendications 1, 2 ou- 5 caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison des plaques est de 2° à 40°, de préférence de 5° à 15°. 5 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la section totale d'écoulement de la cloison entre le distributeur d'entrée et la 10 chambre de dépôt est supérieure à la section de la conduite à travers lequel la dispersion est amenée au distributeur d'entrée. 6 - Appareil suivant 1'une quelconque des revendications 1 à 5} caractérisé en ce que la distance séparant les 15 plaques des empilements est de 5 à 60 mm, de préférence de 10 à 40 33m. 7 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la largeur des plaques est de 5 à 20 fois l'écartement vertical compris entre deux pla- 20 ques consécutives à chaque empilement. , 8 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7» caractérisé en ce que la distance d'écartement entre deux plaques successives d'un empilement est d'environ un centième à un dixième d© la hauteur totale de l'empilement.