Brevet FR2206970A1 — publié le 19740614

L'invention concerne un procédé pour le mélange de milieux vaseux avec de l'eau et pour 1 transport de tels mélanges ainsi qu'un appareillage pour l'exécution de tels procédés. De tels problèmes se posent en particulier pour faciliter le transport de dépôts de vases en les mélangeant avec de lteau. Le meme problème se pose pour des lacs, en particulier pour des retenues où le milieu vaseux est mélangé avec de l'eau courante. En particulier, dans les pays aux précipitations violentes, les retenues s envasent de boues cohérentes qui réduisent le volume d'eau. Le dévasement par dragues suceuses des lacs, retenues et cours d'eau est connu.Cependant, l'application de telles dragues suceuses entraîne lors de la désagrégation et du transport de la vase une telle dépense en eau et en-énergie que la consommation en eau pour une quantité donnée de vase évacuée est relativement très élevée. Lors de ltécoulement dans de longues conduites de certains milieux, en particulier des liquides de Bingham, le yield-value, c.a.d. la tension de cisaillement nécessaire pnur provoquer le début de l'écoulement, entraine des pertes de charge élevées, On peut considérer comme tels p; ex. des sols cohérents plus ou moins consolidés, comme entre autres des vases ayant séjourné dans des retenues pendant une durée allant de quelques jours à quelques semaines. Pour vaincre ces pertes de charge en vue du transport, on mélange en général le milieu, p. ex. de l'argile, avec de i > eau. Dans les cutters habituels, le couple nécessaire est en général si élevé par rapport à la puissance disponible au moteur du cutter que le processus de mélange est en général incomplet et que les éléments désagrégés du milieu-conservent au moins partiellement leur yieldvalue durant le transport, malgré la dilution produite pendant la désagrégation. Pour abaisser les pertes de charge à une valeur compatible avec le gradient d'écoulement pratiquement disponible, un haut coefficient de dilution est nécessaire, généralement 1 volume de vase pour 6 à 10 volumes d'eau pour le dévasementde retenues. Or, le coefficient de peRe de charge dtun liquide newtonien -?our un écoulement dans une conduite de rugosité donnée est pratique ment indépendant du nombre de Reynolds si l'écoulement est purement turbulent, c.a.d. que, toutes choses égales par ailleurs, l'augmentation de viscosité due à l'abaissement du coefficient de dilution n'a pas d'influence sur les caractéristiques de l'écou- lement tant que celuici reste turbulent. L'expérience montre que le coefficient de dilution minimum (c.a.d. le rapport du volume du diluant au vdume dilué) d'un liquide newtonien en écoulement turbulent est considérablement plus faite ue celui nécessaire pour un liquide non newtonien, en particulier binghamien, de meme nature (c.a.d. où le processus de mélange nta pas été poussé assez loin pour faire disparaître la yield-value de tous les éléments du milieu pour trans > orter les mêmes quantités de milieu à diluer dans des conditions d'écoulement inchangées). En particulier, pour des vases crantes le coefficient de dilution minimum passe de 2 à 4 pour une vase nawtonienne homogène à 7 cl 10 pour la même vase hétérogène plus ou moins binghamienne. Ces considérations influent sur la conception des dragues et particulièrement des cutters. Pour les dragues usuelles, la cohésion des vases est en effet si élevée que, d'une part, le cutter reste toujours près de la surface de la vase sans y pénétrer, ce qui ne facilite ni le déplacement du cutter ni le dosage de l'eau de dilution, l'inclinaison des cutters habituels se réglant par rotation autour d'un palier glissant d'axe horizontal. D'autre part, la puissance du moteur du cutter pour la désagrégea tion de la vase est conque comme le produit de la vitesse de rotation du cutter par le couple résistant de la vase ; ce couple est proportionnel à la cohésion de la vase. En abaissant donc le couple résistant de la vase, c.a.d. sa cohésion, par vibration forcée, on augmente d'autant la vitesse de rotation du cutter à puissance constante. On peut ainsi passer de vitesses de l'ordre de 15 à 40 tours/mn à des vitesses de l'ordre de 100 a" 200 t/mn sans modifier la puissance installée.Chaque élément de vase peut ainsi séjourner dans le cutter pendant quelques tours au lieu d'une fraction de tour, et c'est pendant ce séjour que s'effectue l'essentiel du mélange de la vase et de l'eau. L'expérience montre qu'on peut ainsi améliorer l'homogénéité du mélange dilué et obtenir un liquide pratiquement newtonien pour une dilution d'environ 2 à 4 pour les vases usuelles et en tous cas nettement plus faible que celle nécessaire sans vibration, aux vitesses de rotation courantes. L'invention a pour objet de résoudre ce problème en mélangeant vase et eau ae façon telle que la vase devienne newtonienne pour la plus faible dilution possible. On peut alors vérifier que le transport d'un tel liquide s'effectue aussi facilement que celui d'un mélange hétérogène de vase et d'eau beaucoup plus dilué. Selon l'invention, la vase et l'eau sont simultanément mélangées et soumises à des vibrations. Par application de ce procédé, la cohésion de la vase est réduite à une valeur négligeable. Si la vase à transporter a des propriétés thixotropiques suffisantes, sa dilution simultanée devient superflue. Dans ce cas, le procédé est appliqué de telle manière que la yield-value de la vase détruite et que la vase ainsi liquifiée soit transportée relativement facilement ; si la vase est suffisamment thixitropique, il n'est pas nécessaire de diluer et la vase est soumise seulement à des vibrations forcées, produites p. ex. par des vibreurs de coffrages, montés au début ou sur toute la conduite. Si le milieu à transporter comporte 2 phases dont l'une est gazeuse, l'application de l'invention, consistant à le soumettre à une vibration forcée pendant toute la durée du parcours nécessaire à une bonne homogdnéisation, p. ex. avec des vibreurs de coffrages, permet de faciliter radicalement l'écoulement en abaissant la viscosité relative du milieu vibré radicalement par rapport à la viscosité relative du même milieu non vibré. Un appareillage pour l'application di procédé aux vases courantes, avec à la fois dilution et homogénéisation plus poussée du milieu dilué permise par l'abaissement du couple résistant de la vase par vibration, est caractérisé par le fait que le cutter est soumis k des vibrations forcées ; ce qu'on peut obtenir p. ex. enmunissant l'arbre d'entrainement du cutter de balourds dimensionnés de telle sorte que la yield-value de la vase soit suffisamment abaissée. Selon une autre réalisation du procédé, l'arbre d'entrainement du cutter est constitué de telle manière que le rapport de la vitesse de rotation des balourds à celle du cutter soit variable. Enfin, la forme du cutter et de la conduite d'aspiration peut Qtre choisie de telle façon que sous l'effet de la destruction de la cohésion de la vase à la surface de contact de la vase en place, à l'extérieur de la conduite et du cutter-, et du cutter vibrant, celui-ci puisse pénétrer verticalement à l'intérieur de la vase en plane sous l'effet de son propre poids et avec l'aide éventuelle de lançage à l'eau ou à l'air, cnntinu ou saccadé, et s'y dSpla- cer horizontalement ; l'eau de dilution peut alors être anemée par les conduites de lançage et son débit et sa régularité (continu ou saccadé) réglés au mieux (mélange, déplacement vertical ou horizontal, etc ). Pour faciliter sa variationdelongueur, la conduite d'aspiration peut être téléscopique. Une dernière variante dans la réalisation du procédé, indépendante de la précédente consiste à prévoir entrele cutter vibrant et en rotation et la conduite d'aspiration soumis ni à la vibration ni à la rotation, un appareil, p. ex. une grille, monté sur le carter des balourds (alors que le cutter est monté sur leur arbre) et donc soumis à la vibration mais non à la rotation, et dont le nut est d'accélérer la destruction des éléments de vase et de faciliter leur mélange avec l'eau de dilution.Avec ce meme but, cet appareil peut être monté plus ou moins excentré par rapport à l'axe du cutter. -Les figures illustrent l'invention à partir de l'état actuel de la technique La figure 1 représente un extrait du diagramme de Moody, bien connu, donnant le coefficient de perte de charge d'un liquide newtonien en fonction du nombre de Eeynolds (paramètre : rugosité relative de la conduite), la zone hachurée représentant l'écoulement non turbulent. La figure 2 représente la cohésion d'une vase naturelle-vibrée, en fonction de sa teneur en eau, le paramètre étant l'accélération de la vibration. La figure 3 représente schématiquement un cutter tournant et vibrant. La figure 4 représente un cutter tournant et vibrant avec grille vibrant sans tourner, non excentrée dans le cas de figure. La figure 5a montre la représentation schématique du dragage d'une couche de vase au moyen d'un appareillage conforme à l'invention. La figure 5 b et la figure 5e montrent 2 possibilités de conformation de l'extrémité de la conduite d'aspiration. La figure 5d montre, en coupe, la forme possible d'une conduite d'aspiration facilitant son déplacement latéral. Sur la figure 1 sont portés, en ordonnée et en échelle logarith 2 moque le coefficient de perte de charge/ = i / 1 v (avec i D 2g gradient de l'écoulement, i = diamètre de la conduite, v = vitesse de ltécoulements g = accélération de la pesanteur), et en abscisses en échelle logarithmique, le nombre de Reynolds, Re = v.D/ (avec= viscosité dynamique du milieu); ce qui confirme que tant que ltécoulement reste turbulent est pratiquement indépendant de Re. (La rugosité est apportée au diamètre D). On peut y lire la possibilité d'économie d'eau : alors que pour les rugosités et les vases courantes il faut environ 7 à 10 volumes d'sau pour un volume de vase, le nombre de Reynolds limite (à la limite de la zone hachurée et de la zone non hachurée) correspond à une viscosité et partant à une dilution de seulement 2 à 4 volumes d'eau pour un volume de vase. Les résultats représentés sur la figure 2 ont été obtenus avec des vases naturelles de différentes teneurs en eauS soumises à des vibrations forcées de différentes accélérations. On peut reconnattre l'abaissement appréciable de la cohésion pour une teneur en eau naturelle de p. ex. 80 do La figure 3 montre un cutter 1, à l'extrémité d'une conduite d'aspiration 10. L'entratnement du cutter 1 est tel qu'il est soumis à des vibrations forcées : l'arbre dtentrainement 2 du cutter 1 est entraîné par un moteur hydraulique 4 et monté sur des roulements 11.Pour produire les vibrations-, l'arbre 2 est muni de balours 3, dimensionnés de telle façon que l'amplitude du mouvement vibratoire du cutter 1, soit environ m r/ M -(avec M : masse totale vibrante, m et r : masse et excentricité moyenne des balourds) soit suffisante pour que l'amplitude de lXaccé- lSration du vibreur ainsi atteinte permette, conformément à la figure 2 d'abaisser assez la yiels-value de la vase à évacuer, pour un couple moteur donné, pour que le moteur 4 soit à meme de fournir au cutter la puissance nécessaire à la vitesse de rotation minimale capable de donner un mélange vase-eau à peu près newtonien.Dans le cas non représen-té sur la figure où le couple moteur est nettement plus élevé que le couple résistant, on peut monter entre moteur et cutter un réducteur de vitesse réglé eh rapport inverse de celui des couples. Si la vitesse obtenue est alors trop loin de la vitesse optimale pour le mélange de la vase et de l'eau, il faut modifier les dimensions du cutter Jusqu'a obtenir un couple résistant correspondant à la vitesse optimale du cutter. Le car-te 5 des balourds 3 et de marbre 2 est fixé par 6 à la conduite d'aspiration 10 par l'intermédiaire de blocs amortisseurs de vibrations 7. L'eau de dilution et évent tuellement de lançage est injectée par les orifices d'injection 8 répartis sur le pourtour de la conduite d'aspiration 10. La figure 4 montre un autre type de cutter où, entre le cutter tournant et vibrant proprement dit 1 et la conduite dtaspiration 10 qui ne tourne ni ne vibre, est monté un appareil en forme de grille 9 vibrant sans tourner - et représente' sur la figure coaxialavec la conduite d'aspiration et le cutter proprement dit et dont la fonction est d'achever la désagrégation et le mélange avec liteau (considérablement facilités par la destruction de la cohésion sous l'effet de la vibration) commencés lors du découpage de la vase par le cutter proprement dito Les autres parties de l'appareillage de la figure 4 sont analogues à celles décrites sur la figure 3 un avantage essentiel de l'appareillage de la figure 4 étant, outre l'efficacité accrue, le couple résistant plus faible opposé à la rotation du cutter, toutes choses égales par ailleurs. Pour accroître son efficacité, ltélément vibrant et non tournant 9 peut être excentré0 La figure 5 a montre schématiquement la drague en service. Le tait des vases est représenté par 21, la conduite d'aspiration 23 pénètre verticalement dans la vase 21. Le groupe des pompes et éventuel~ lement des compresseurs 26 est à la surface de liteau 22. L'eau et/ ou l'air sont injectés par les orifices 24. Les conduites d'aspiration 23 et de refoulement 27 sont le cas échéant vibrées à laide des vibreurs 25 et 28. Deux- types possibles de forme de l'extrémité de la conduite d'aspiration sont représentées sur les figures 5bet 5c. Conformément à la figure 5 ds la partie de la conduite d'aspiration susceptible de se déplacer latéralement dans la vase peut prendre une section atténuant la résistance de ce déplacement. L'ensemble du procédé est indépendant du mode de pompage : on peut utiliser soit des pompes centrifuges p. ex. à la surface de liteau soit des pompes submersibles, soit des air-lift, dans ce dernier cas le procédé sert en particulier à abaisser consi dErablement la viscosité relative du mélange transporté, soit tout autre procédé de pompage équivalent.