Brevet FR2450625A1 — publié le 19801003

La présente invention est relative à un procede et un dispositif de separation liquide - liquide et eventuellement solide - liquide. Elle vise plus précisément l'extraction, hors d'un liquide les contenant eventuellement, de particules non solubles dans ce liquide, ces particules pouvant être liquides d'une densité inférieure à celle du liquide les contenant et dont on desire les séparer, et eventuellement solide;. L'invention peut notamment, mais non exclusivement,trouver son application dans l'épuration de$ condensats de chaudières vapeur, en vue de leur recyclage. Actuellement, la vapeur produite par une chaudière, apres avoir cede ses calories dans des echangeurs pour élever la temperature de liquide,est condensée puis soit recyclée vers la chaudière par l'intermediaire d'une b^ache alimentaire au niveau de laquelle on effectue un éventuel appoint en eau demi- neralisee et decarbonatisee , soit rejectée à L'égout ou dans un cours d'eau. Dans le premier cas, on réalise une économie en eau traitee, mais on recycle avec l'eau de condensation toutes les particules polluantesdont elle a pu se charger pendant son parcours de l'installation, c'est- -dire les oxydes divers, la rouille, le calcaire éventuellement arraches la paroi des différents conduits dans lesquels elle a transite, et une certaine quantite du liquide à réchauffer dont elle a pu se charger lors de sa traversee de ltechangeur du fait de fuites , notamment lors de l'arrêt de la production de vapeur ; or, la pre- sence de ces différentes particules polluantes dans le condensat réduit consi derablement le rendement de l'installation notamment en provoquant un effet de primage dans les chaudières, c'est- -dire l'entraînement par la vapeur de particules de liquide à réchauffer, généralement huileux, ce qui amene l'apparition de zones de temperaturesdifferentes et une conduction thermique irreguliere. Dans le deuxième cas, la non reintegration des condensats est une source de perte d'energie, à plusieurs niveaux, et de pollution du milieu extérieur. En effet, outre le fait qu'il faut a lors traiter une quantité d'eau beaucoup plus importante pour alimenter la chaudière puisque les eaux usées ne sont pas recyclée, il est nécessaire de réaliser un apport d'énergie beaucoup plus important cette eau pour la vaporiser, alors que, lorsque l'on recycle les condensats qui sont à température elevee, un faible apport d'énergie suffit à retransformer ces condensats en vapeurçsurtout s'lls ne sont pas pollues. Il appara^it par conséquent important de recycler au maximum les condensats, en les épurant pour ne pas recycler également des substances indesirables comme dans le premier cas, et le but de la présente invention est de proposer un procède et un dispositif autorisant un tel recyclage, A cet effet, compte tenu de ce que les particules polluantes liquides dont peuvent eventuellement être charges les condensats sont généralement hui leuses et par conséquent d'une densité inférieure, l'invention propose de façon générale un procéde et un dispositif de séparation de deux liquides non solubles, de densités differentes,en fonction de leur densité, ce procédé et ce dispositif pouvant ^etre étendus à tous les cas ou il est necessaire de separer de tels liquides. Le procédé selon l'invention, pour la separation de deux liquides de densites différentes, non solubles l'un dans l'autre, initialement-mêlés, est caractérisé en ce que l'on provoque un écoulement forci des deux liquides mêle on provoque un choc de l'ecoulement contre des chicanes de façon à différencier les vitesses d'écoulement respectives des deux liquides en fonction de leurs densité, et l'on sépare les liquides en fonction de leur vitesse d'ecoulement. L'invention sera mieux comprise si llon se réfère la description cidessous, relative à un exemple de mise en oeuvre non limitatif, ainsi qu'aux dessins annexes qui font partie intégrante de cette description. La figure 1 montre une vue schematique d'une installation de chauffage mettant en oeuvre l'invention. La figure 2 montre une vue d'un séparateur selon l'inventionS en coupe par un plan vertical de symétrie. Les figures 3 à 5, respectivement, montrent des vues du séparateur en coupe respectivement par les plans horizontaux III-III, IV-IV, V-V, de la figure 2. A la figure 1, on a désigné par 1 une chaudière chauffant de l'eau pre- levée dans une bâche alimentaire 2, pour l'acheminer à L'état de vapeur dans un échangeur de température 3 Oa cette vapeur perd de L'énergie calorifique au profit d'un liquide, en pratique constitue par de l'huile ;; sa sortie de l'echan- geur 3, la vapeur se condense, et le condensat,éventuellement charge d'huile qui s'y est mêléeau niveau de l'echangeur 3 et de particules solides diverses arrachées aux parois du circuit, s'achemine vers l'entree 4 diun separateur selon l'invention 5, qui en sépare d'abord les particules solides, évacuées par une sortie 6, puis l'huile qui en sort par une sortie 7, le condensat purifie étant évacue par une sortie 8 pour être achemine vers la bâche alimentaire 2 au niveau de laquelle on effectue un éventuel appoint en eau traitee (deminerali- sation, décarbonatation),amenée par un circuit extérieur 9 , les particules polluantes sortant du séparateur 5 respectivement en 6 et 7 sont quant à elles acheminées vers une unité de traitement 10 de type connu en soi, ou on en extrait un reste éventuel de condensat qui est ensuite acheminé également vers la bâche alimentaire 2. Le séparateur 5 illustré ici titre d'exemple non limitatif comporte par conséquent des moyens de séparation liquide - solide et des moyens de séparation liquide - liquide , naturellement, lorsque seule une séparation liquide -liquide est necessaire, l'Homme de l'Art rélisera sans sortir du cadre de l'invention un séparateur pratiquant cette seule séparation. Si llon se refere aux figures 2 à 5, ow l'an a utilise les m^emes refe- rences qul la figure 1 pour désigner le séparateur et ses différents elements, on voit que le séparateur est délimité par une paroi étanche de révolution autour d'un axe 11. Cette paroi comporte une zone supérieure 12 cylindrique de révolution autour de liaxe 11 et fermée vers le haut par un couvercle 13 muni d'un évent 14 cette paroi comporte en outre une zone inférieure 15 tronconique de revolu- tion autour diun axe 11 et convergeant vers le bas,oa la paroi présente la forme d'une coupe 16 au centre de laquelle débouche la sortie 6 pour les particules solides ; l'entrée 4 pour le condensat épurer débouche quant à elle tangentiellement dans la zone cylindrique 12 de la paroi, la partie inferieure de cette zone 12, et la sortie 7 pour les particules polluantes liquides débouche radialement dans la partie supérieure de la zone cylindrique 12 de la paroi la sortie 8 pour les condensats épurés débouche quant à elle dans la zone cylindrique 12 de la paroi, radialement, un niveau intermédiaire entre celui de l'entrée 4 et celui de la sortie 7. Immédiatement au-dessus de l'entrée 4, l'enceinte est subdivisez inte- rieurement par une paroi horizontale étanche 17 qui délimite à l'interieur de cette enceinte, vers le bas, une zone 18 constituant un séparateur centrifuge de principe connu , permettant de séparer du condensat pollue les particules lourdes eventuelles de celui-ci, c'est- -dire en pratique les particule s solides qui tombent par gravite dans la coupe 16 d'où elles sont evacuss via la sortie 6. Intérieurement, la zone 18 comporte une paroi tubulaire 19 cylindrique de révolution de l'axe 11 cette paroi étanche se raccorde de façon étanche, à son bord supérieur, à la paroi li, et son bord inférieur 20, ouvert, est situe au-dessus de la coupe 16 une distance suffisante pour autoriser le passage à l'interieur du tube 19 des parties liquides du condensat qui, introduites en 4, s'acheminent vers le bas en tournant autour de l'axe 11 et en longeant successivement la partie inférieure de la zone cylindrique 12 de la paroi de l'enceinte et la zone tronconique 15 de cette paroi. A l'interieur du tube 19, les deux phases liquides du condensat pollue s'acheminent verticalement vers le haut en un écoulement force, et traversent la paroi 17 via des orifices de celle -ci ici regulierement repartis autour de l'axe Il, à proximité immediate et l'interieur de la zone circulaire 21 de raccordement du bord supérieur de la paroi tubulaire 19 avec la paroi 17. Ces orifices, ici au nombre de 6, se repartissent en deux jeux disposes symetriquement de part et d'autre d'un plan vertical 22 passant par l'axe 11 et oriente perpendiculairement au plan vertical 23 définissant le plan de coupe de la figure 2. Les orifices correspondant à l'un et l'autre jeux ont ete designes respectivement par la référence 24 et par la reference 25. Comme il ressort des figures 2 et 4, chacun desorifices 24 et 25 correspond à l'extremite inferieure d'un conduit tubulaire de section transversale constante, respectivement 26 et 27 j les conduits 26 et 27, orientes perpendiculairement à la paroi 17 au niveau de leur extremite inférieure , sont incurves de façon à s'éloigner du plan 22; leur ligne moyenne respective est en outre située dans le plan 23 ou dans des plans parallèles à ce plan 23. Ainsi, le mélange liquide s'acheminant verticalement de bas en haut dans le conduit 19 débouche au-dessus de la paroi 17 à une vitesse accrue du fait que la section de passage globale offerte par les conduits tubulaires 26 et 27 est inferieure à la section de passage du tube 19, et ceci en deux groupes d'ecou lementsdivergeant de bas en haut, correspondant respectivement aux conduits 26 et aux conduits 27. Ces deux groupes d'ecoulementssont diriges vers la périphérie de l'enceite, où ils se heurtent à la paroi de celle-ci dans sa zone cylindrique, et vers le haut ou ils se heurtent une paroi horizontale annulaire 28, étanche et raccordée de façon étanche la zone 12 de la paroi 2 de l'enceinte, ce qui provoque des turbulences. Comme le schématisent les flèches de la figure 2, le mélange liquideliquide tend alors à s'acheminer vers l'axe 11, vers une zone centrale ob il peut s'échapper vers le haut en traversant des chicanes 29 logees entre la paroi annulaire 28 et l'axe 11, partiellement à l'interieur d'une enveloppe cylindricotronconique 30 de révolution autour de l'axe 11 et qui d'une part se raccorde de façon étanche à la peripherie de la paroi 28 tournée vers l'axe 11 et d'autre part est ouverte vers le bas, et vers l'espace situe entre les parois 28 et 17, suivant une ouverture circulaire de révolution autour de l'axe 11 et d'un diametre inférieur au diamètre intérieur de la paroi annulaire 28. Comme les orifices 24 et 25 et les conduits tubulaires 26 et 27, les chicanes 29 se divisent en deux jeux, respectivement 31 et 32, disposes symetriquement l'un de l'autre par rapport au plan 22 chacun de ces jeux est constitue d'une pluralite de plaques inférieures orientes parallèlement entre elles et perpendiculairement au plan 23, suivant une orientation s'éloignant de bas en haut du plan 22 chacun des deux jeux 31 et 32 comporte en outre une pluralité de plaques supérieures, parallèles entre elles et perpendiculaires au plan 23, lesquelles sont par contre orientees de façon à converger vers le haut avec le plan 22. Ainsi, compte tenu de l'acceleration qu'il subit lors deson passage dans les conduits 26 et 27 et de la turbulence s'établissant dans la zone de l'enceinte située entre la paroi 17 d'une part, la paroi annulaire 28, l'enve- loppe 30 et les chicanes 29 d'autre part, le mélange liquide - liquide s'acheminant vers le haut vient d'abord heurter les plaques inférieures des deux jeux suivant une orientation approximativement perpendiculaire à celle de ces plaques puis, s'acheminant entre ces plaques inférieures, vient heurter lesplaques supe- rieures également suivant une orientation approximativement perpendiculaire à celle de~ces plaques. A chacun de ces chocs, la vitesse d'ecoulement des deux liquides, initialement identique-, se différencie en fonction de leur densité , les particules les plus denses sortant des chicanes 29 à une vitesse inférieure celle des particules plus légères en d'autres termes, dans l'exemple choisi, l'eau formant llessentiel du condensat sort des chicanes 29 à une vitesse inférieure celle des particules d'huile, moins denses. Au-dessus des chicanes 29, au moins dans une zone centrale de l'enceinte située au-dessus de la zone de sortie de celles-ci, est disposée une paroi perforée 33 dont le r^ole est de réduire les vitesses respectives des particules et d'orienter leur déplacement suivant une direction sensiblement verticale. Au-dessus de la paroi perforée 33, l'enceinte est subdivisée interieure- ment de façon étanche par une paroi dont au moins la zone centrale 34, situee au-dessus de la paroi perforée 33 et de la sortie des chicanes 29,est inclinee par rapport la verticale. Dans l'exemple illustre, cette zone centrale 34 est plane et orientee perpendiculairement au plan 23 , les sorties 7 et 8 étant disposées suivant ce plan 23; elle se raccorde de façon étanche directement à la zone cylindrique 12 de la paroi de l'enceinte dans ses zones situées proximité du plan 22, et par l'intermediaire de parois approximativement horizontales 35 et 36 respectivement à sa partie superieure simultanément aud-eSsuae la sortie 7 et à sa partie inférieure simultanément s o u s la sortie 8. Dans ses zones latérales situées à proximité du plan 22 et proximité immédiate de la zone cylindrique 12 de la paroi de l'enceinte, la paroi inclinée 34 comporte des orifices 37 mettant en communication la partie de l'enceinte située entre les chicanes 29 et cette paroi 34 avec la partie de l'enceinte situez au-dessus de cette paroi 34 et débouchant vers ltexterieur via la sortie 8. En saillie sous sa face inférieure, la paroi 34 comporte par ailleurs, du plan 22 à la sortie 7,des parois déflectrices 38 convergeant vers cette sortie 7 ; ces parois 38 sont disposees, dans leurs zones voisines du plan 22, plus pres de l'axe 11 que les orifices 37 comme le montre la figure 5. Ainsi, les particules sortant des chicanes 29 à la vitesse la plus ele- vee t clest- -dire en pratique les particules d'huile dans l'exemple illustre, lesquelles tendent venir au contact de la paroi inclinée 34 le plus directement possible, c'est- -dire dans la zone centrale de celle-ci, sont deviees par cette paroi vers la sortie 7 mais, du fait du ralentissement qu'elles subissent au passage de la paroi perforée 33, s'acheminent vers cette sortie 7 sous la forme d'une pellicule longeant successivement la zone centrale de la paroi 34, puis la paroi 35 par contre, les particules les plus lentes tendent à s'écarter late- ralement vers les orifices 37, d'ou elles gagnent la partie supérieure de l'en- ceinte puis la sortie 8 ou l'on retrouve par conséquent le liquide le plus dense , c'est- -dire l'eau dans l'exemple choisi ; pour autoriser un stockage intermédiaire de cette eau l'interieur de ltenceinteg on a prévu å l'interieur de celle-ci une paroi par exemple verticale, étanche, 39 dont le bord inferieur se raccorde de façon étanche à la partie inférieure de la paroi inclinée 34, dont les bords verticaux se raccordent de façon etanche à la paroi de l'enceinte dans la zone cylindrique 12 de celle-ci, et dont le bord supérieur 40 est situe à un niveau supérieur à celui des orifices 37 et de la sortie 8, et par exemple voisin de celui de la sortie 7. A l'exterieur de l'enceinte, les differentes sorties 6, 7, 8, de celle- ci sont munies de vannes, respectivement 41, 42 et 43, dont le fonctionnement est pilote par un dispositif de tout type connu 44 détectant l'eventuelle présence de liquide , c'est- -dire dans l'exemple illustre d'huile, proximité immédiate de la sortie 7. Le cycle de fonctionnement de l'installation peut ainsi être le suivant, à titre d'exemple non limitatif : Si le dispositif 44 ne détecte aucune présence du liquide de densite inférieure, c'est- -dire en pratique de l'huile, à proximité immédiate de la sortie 7, il maintient la vanne 42 fermée et la vanne 43 ouverte ceci signifie que le condensat introduit en 4 ne contenait pas d'huile, ou du moins une quan tite extrêmement reduite d'huile, et ce condensat débarrasse des éventuelles particules solides qu'il transportait dans la-partie inférieure 18 du séparateur est ensuite achemine integralement vers la bâche alimentaire 2 puisqu'il n'est pas considère comme polluant. L'installation fonctionne ainsi tant que le dispositif 44 ne détecte pas à proximité de la sortie 7 une quantité d'huile correspondant à une quantité pre-determinee lorsque cette quantite est atteinte, le dispositif 44 provoque la fermeture de la vanne 43 et l'ouverture de la vanne 42, c'est- -dire ltevacua- tion de lthuile vers L'unité de traitement 10 pendant cette phase, l'eau de- barrasses de son huile continue à traverser la paroi 34 via les orifices 37 de celui-ci, et s'accumule de façon provisoire dans la partie 45 de l'enceinte delimitee à proximite immediate de la sortie 8 par la paroi 39. Des que le dispositif 44 detecte une baisse de la quantité d'huile à proximité immédiate de la sortie 7 en-dessous de la quantité pre-determinee cidessus, il provoque à nouveau la fermeture de la vanne 42 et l'ouverture de la vanne 43 qui autorise un vidage de la zone 45 de l'enceinte vers la bâche ali- mentaire 2 cet état se maintient jusqu'à ce que le dispositif 44 détecte à nouveau une quantité d'huile suffisante pour refermer la vanne 43 et rouvrir la vanne 42 afin d'autoriser l'evacuation de l'huile vers L'unité de traitement 10. Du fait que l'huile, ou plus generalement les particules liquides les moins denses, se présente à proximité immédiate du disposi-tif de detection 44 sous la forme d'une pellicule, il est possible de beneficier d'une grande sensibilité dans la détection, et par conséquent d'agir sur les vannes 42 et 43 automatiquement,de façon fiable. Aux essais, on a pu traiter au moyen d'un séparateur du type decrit une eau contenant jusqu'à plusieurs dizaines de % en poids d'hydrocarbures; l'eau reprise à la sortie 8 de l'enceinte contenait au maximum 0,3 % en poids d'hydro carburez ce qui est generalement considéré comme le meilleur résultat possible en séparation mécanique. REVENDICATIONS 1) Procede de séparation de deux liquides de densités différentes, non solubles l'un dans l'autre, initialement mêlés, caractérise en ce que l'on provoque un écoulement force des deux liquides mêlés, on provoque un choc de l'ecou- lement contre des chicanes de façon à differencier les vitesses d'écoulement respectives des deux liquides en fonction de leur densite , et lton sépare les deux liquides en fonction de leur vitesse d'ecoulement. 2) Procédé selon la revendication 1, caracterise en ce que l'on sépare les deux liquides en fonction de leur vitesse, , d'écoulement enles déviant en fonction de leur vitesse ,pour effectuer une reprise sélective respectivement de l'un et de l'autre dans deux zones diffErentes. 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications precedentes, les deux liquides initialement mêlés contenant en outre des particules solides, ca racterise en ce que l'on sépare les particules solides prealablement a la sepa- ration des deux liquides. 4) Dispositif pour la mise en oeuvre du procède selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comporte, dans une enceinte fermée : - une entree des liquides mêles dans l'enceinte, - des sorties respectivement pour l'un et l'autre liquides hors de l'en- ceinte, - et,d'amont en aval entre la dite entree et les dites sorties comptetenu du sens de deplacement des liquides, des moyens pour provoquer un écoulement force des deux liquides mêlés, des chicanes orientées approximativement perpendiculairement au dit écoulement force, et des moyens de séparation des liquides en fonction de leur vitesse à la sortie des chicanes. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérise en ce qu'il comporte en outre, entre l'entrée des liquides mêles et les moyens pour provoquer un ecoulement force des deux liquides meles, des moyens pour en séparer les particules solides éventuelles. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, carac terise en ce que les moyens pour provoquer un ecoulement force des deux liquides comportent un conduit oriente d'amont en aval et subdivise vers l'aval en une pluralité de conduits de section totale inférieure. 7) Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérise en ce que les moyens pour séparer le s particules solides éventuelles des liquides mêlés comportent à la partie inférieure de la dite enceinte un séparateur centrifuge défini par une paroi tronconique de révolution autour d'un axe vertical, pre- sentant une section décroissant de haut en bas vers une sortie des particules solides, l'entrée des deux liquides mêlés étant située à la partie supérieure de la dite paroi tronconique, tangentiellement à celle-ci, et en ce que le dit conduit est situe à l'interieur de l'espace délimite par la dite paroi tronconique, soaxialement celle-ci, son extrémité amont etant constitue par son extrémité inférieure ouverte l'interieur de l'enceinte à un niveau superieur à celui de la dite sortie des particules solides éventuelles. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caracte- rise en ce que les moyens de séparation des deux liquides en fonction de leurs vitesses comportent : -- des moyens pour orienter les écoulements respectifs des deux liquides suivant une même direction à la sortie des chicanes, - un déflecteur incline par rapport la dite orientation commune des deux liquides à la sortie des chicanes, le dit deflecteur étant situe en aval de celles-ci et comportant une zone centrale pleine, des parois en saillie vers l'amont et convergeant lateralement de la peripherie de la dite zone centrale vers la sortie de l'un des liquides situes lateralement dans une zone aval du déflecteur, et au moins une zone latérale perforée autorisant le passage du deuxie- me liquide, la dite zone latérale perforée livrant accés vers l'aval la sortie du dit deuxième liquide, le premier liquide étant le liquide de densite infe- rieure et le deuxième liquide de liquide densité superieure. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 8, caracte- rise en ce qu'il comporte à l'interieur de l'enceinte une zone de stockage in termediaire respectivement pour l'un et l'autre liquides immédiatement en amont de leurs sorties respectives. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications8 et 9, caracte- rise en ce qu'il comporte des moyens pour détecter la presence du liquide de densité inférieure immédiatement en amont de la sortie correspondante et pour : - ouvrir la dite sortie et fermer la sortie correspondant au liquide de densite superieure quand la quantite de liquide de densité inférieure immédiatement en amont de la sortie correspondante augmente au-dessus d'un seuil prédétermine, - fermer la sortie du liquide de densité inférieure et ouvrir la sortie du liquide de densité supérieure quand la quantite de liquide de densité inferieure immédiatement en amont de la sortie correspondante est en dessous du dit seuil.