Brevet FR2473338A1 — publié le 19810717

La plupart des séparateurs pétrole/eau, y compris ceux à plateaux parallèles, reposent sur le principe de la décantation statique. La seule force motrice réside dans la différence de densité entre le pétrole et l'eau. Dans le tas de pétrole brut provenant de sables asphaltiques, les hydrocarbures ont, à température ambiante, une densité su- périeure à celle de l'eau et c'est seulement au voisinage du point d'ébullition de l'eau qu'on voit la situation s'inverser. Etant donné que la force motrice disponible est limitée en raison de la faible différence de densité exis- tant dans un mélange pétrole de sables asphaltiques et eau, le traitement d'un tel mélange par des séparateurs selon la technique antérieure pose automatiquement de nombreux pro- blèmes; ce sont ces problèmes, ainsi que d'autres, que la présente invention a pour objet de résoudre, ainsi qu'il apparaîtra ci-après. La présente invention concerne un procédé permettant d'éliminer une matière polluante, telle que pétrole, flot- tant à la surface d'un liquide tel qu'eau en faisant fran- chir à la matière polluante et au liquide le sommet d'un déversoir, digue ou barrage, en laissant la matière pollu- ante et le liquide tomber entre un côté du déversoir, digue ou barrage et un déflecteur étroitement voisin qui pénètre dans un bassin d'aval situé à la base du déversoir, digue ou barrage; en recueillant la matière polluante et le li- quide dans le bassin; en laissant la matière polluante se séparer du liquide et subir une coalescence dans une zone relativement calme adjacente au côté aval du déflecteur; et en évacuant séparément le liquide du bassin. De préférence, un déflecteur de retenue de la nappe flottante de matière polluante est placé de manière à péné- trer dans le haut du bassin au moins près de l'endroit o l'eau est extraite du bassin, afin d'épaissir la nappe de matière polluante qui flotte entre le déflecteur de retenue et le déflecteur immédiatement voisin du barrage, digue ou déversoir. Pour obtenir un courant liquide plus propre, on peut répéter sensiblement les opérations précédentes au moins une fois en faisant franchir au liquide extrait, moins chargé de matière polluante, le sommet d'au moins un déver- soir, digue ou barrage ultérieur. On va maintenant décrire à titre d'exemple un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention en se référant au dessin annexé, dont la figure unique représente schématique- ment un séparateur "topologique" selon la présente inven- tion. Le dispositif selon la présente invention établit un mode d'écoulement de nature à assurer efficacement la séparation d'un liquide et d'une matière polluante flot- tante, même s'il n'existe entre ceux-ci qu'une différence de densité faible. Le séparateur est dit "topologique" parce que le principe de la séparation est-d'établir une nouvelle surface au-dessus d'un déversoir-et de recueillir l'effluent dans une zone calme derrière un déversoir. Pour fixer les idées, on considèrera ci-après que la matière polluante est du pétrole et le liquide, de l'eau, mais il est clair que l'on peut séparer par le procédé et au moyen du dispositif selon l'invention d'autres liquides et matières polluantes flottantes. Sur le dessin, on voit une succession de barrages ou déversoirs 1, 2 et 3. Toutefois, on peut aussi obtenir les avantages selon l'invention en prévoyant un seul déver- soir associé à un déflecteur comme on l'exposera plus loin. Dans la suite de la description, on parlera d'un déversoir, mais en fait, on pourra substituer au déversoir une digue ou un barrage ayant l'une desdiverses configurations connues du technicien. On pourra aussi substituer d'autres matières polluantes et liquides au pétrole et à l'eau dont il sera question ci-après. Bien qu'ils puissent avoir d'autres for- mes, les déversoirs sont de préférence à section sensible- ment triangulaire, les sommets des déversoirs successifs étant situés de plus en plus bas. Des déflecteurs 4, 5 et 6 sont prévus chacun du côté aval d'un déversoir, au voisinage immédiat de ce dernier, et plongent dans des bassins 7, 8, etc. Au niveau de chaque déversoir, le pétrole et l'eau fran- chissent le sommet du déversoir et s'écoulent entre ce der- nier et le déflecteur dans la masse d'eau et de pétrole sous-jacente. Des dépôts de sable 9 et 10 sont prévus au fond des bassins 7 et 8 pour conférer à ce fond un profil arrondi,et stimuler l'écoulement au sein de la masse li- quide. Par une conception judicieuse, on assure la forma- tion près du déversoir suivant d'un "monticule" d'eau qui limite l'épaisseur des nappes de pétrole 11 et 12. Pour accuser l'accumulation de pétrole, on dispose des déflec- teurs 13, 14 de retenue de nappe de pétrole qui pénètrent dans les masses liquides (bassins) 7 et 8 pour retenir les nappes 11 et 12. En aval de chaque déversoir, l'eau en cir- culation forme une nouvelle surface qui descend le long du déversoir suivant, et ainsi de suite. L'invention repose donc sur le fait que, lorsque de l'eau longe un déversoir, le pétrole, les surfactifs, l'écume, etc. sont recueillis et retenus derrière ce déversoir. L'amélioration particu- lièrement importante apportée par l'invention réside dans la présence du déflecteur associé au déversoir, qui évite que le pétrole recueilli dans chaque bassin 7, 8, etc. ne soit entrainé dans le courant qui descend le long du déver- soir. Le pétrole recueilli dans chaque zone de collecte peut être évacué par de nombreuses méthodes bien connues du technicien, par exemple par succion en certains points du bassin. La présente invention peut servir à séparer du pé- trole de sable asphaltique, comme indiqué plus haut. Elle peut aussi servir à séparer le pétrole d'effluents aqueux de raffineries. De tels séparateurs seraient plus petits que les séparateurs existants pour sable asphaltique et autres à simple décantation. L'invention est encore applicable à l'élimination de pétrole répandu sur un cours d'eau. Si l'on monte un dis- positif à plusieurs déversoirs entre deux pontons d'un ba- teau ou d'une estacade flottante, le mouvement relatif entre le bateau ou l'estacade et l'eau courante provoque le franchissement du déversoir, ce qui permet de débarrasser sensiblement la surface du pétrole. L'invention est aussi intéressante pour nettoyer la surface de criques dans lesquelles du pétrole s'est répandu, et peut être appliquée en combinaison avec un déversoir ou une digue existant. Les réservoirs se couvrent souvent d'écume à mesure que l'eau courante concentre des surfactifs en surface. Si l'on évacue de l'eau en la faisant déborder et qu'on la fasse revenir à travers un filtre, elle se trouve épurée en continu. Cette épuration peut être assurée par un séparateur topologique. Le séparateur topologique peut aussi servir à l'épu- ration d'eau pour la consommation. Il assure alors une sé- paration et une aération qui débarrassent l'eau des surfac- tifs et des débris et déchets divers présents en grande quantité dans-les rivières et les lacs. Dans les installations de traitement d'eaux d'égout, on débarrasse par écumage la surface du liquide des matières grasses. Un séparateur topologique peut être utilisé pour cette opération. Il trouve encore une autre application dans les abattoirs, o il peut servir à récupérer les matières grasses. A titre d'exemple concret, on a construit un dispo- sitif à déversoirs expérimental sous la forme d'une cuve en verre de 1,8 m de long, de 30 cm de profondeur et de 15 cm de large. Le dispositif comportait deux déversoirs, la zone séparant les déversoirs constituant une cellule complète de séparation. La différence de hauteur entre les déversoirs est d'environ 13 cm. L'écoulement dans le dispositif est entretenu par une pompe extérieure prélevant du liquide dans la section basse du dispositif et le refoulant en jet, aux fins d'aération, dans la section haute. Le liquide cir- cule en circuit fermé afin qu'on puisse contrôler sa tempé- rature et son pH. On ne tente pas d'introduire des solides en continu dans l'installation. On place des échantillons dans l'installation en amont du premier déversoir et l'on établit la circulation de liquide. Une désintégration résulte de l'effet de jaillissement continu du courant de retour et d'une agitation assurée par une pale. La désintégration et la séparation sont optimales lorsqu'on choisit l'emplacement et l'orientation du jet de retour de manière à établir un courant tourbillonnaire de sens horaire dans la section de l'installation de déversoirs située en amont du premier déversoir, l'écoulement vers le déversoir exerçant un effet d'extraction sur le haut du tourbillon. Le recyclage ne provoque pas d'entraînement su- perficiel dans la section de l'installation de déversoirs située en amont du premier déversoir et tout le bitume flot- tant en surface franchit le premier déversoir. On constate que le bitume qui se sépare par flotta- tion du sable et monte à la surface de l'eau chaude s'étale immédiatement en une pellicule mince sur la surface. Les gouttelettes de bitume s'étalent en petites taches de pé- trole offrant des interfaces pétrole/eau et pétrole/air d'aire maximale. Du fait que la différence de densité est relativement faible, les gouttelettes de bitume n'atteignent pas toutes la surface dans la section d'installation située en amont du premier déversoir et le courant qui franchit le premier déversoir contient en suspension du bitume ainsi que des particules d'argile et du sable fin. Les déversoirs ont tous deux des pentes de 450 afin d'établir automatiquement dans les deux zones d'aval des tourbillons décrivant dans un plan vertical un mouvement de sens anti-horaire. La surface de tourbillon qui atteint la surface de la masse liquide contenue entre les déversoirs comporte de l'eau tachetée de pétrole, ainsi que de l'air entraîné au point d'entrée. On note que les taches de pé- trole se prêtent mal à être remouillées et tendent à demeu- rer à l'air, arrivant à la surface sous forme de bulles et reformant des taches en aval du déversoir. L'aération et l'écoulement tourbillonnaire ascendant provoquent la sépa- ration de pétrole en surface. Des déflecteurs superficiels sont interposés entre les deux déversoirs. Celui situé près du déversoir d'amont a pour effet d'éviter le réentraînement du pétrole collecté en surface dans le tourbillon engendré par le déversoir. Un autre déflecteur est placé de façon à empêcher le pétrole superficiel de franchir le second déversoir. Ce second dé- flecteur intensifie l'effet séparateur exercé par le léger monticule d'eau apparaissant à cet endroit. En service, l'installation de déversoirs fournit trois "courants" ou fractions: la fraction flottant dans la zone de collecte, entre les deux déflecteurs, est dite "écume"; elle est éliminée quantitativement par écumage avec des plaques de verre. La fraction entraînée dans le courant en circulation est appelée "les mixtes"; elle est extraite par échantillonnage du courant en circulation. La fraction demeurant sur le fond des chambres de déversoir constitue les résidus, que l'on évacue quantitativement du fond par succion vers le haut. Dans les expériences suivantes, l'installation fonc- tionne avec 40 1 d'eau et des échantillons de solides de 500 g. D'abord, on fait circuler l'eau et on la porte à 90'C. Ensuite, on introduit l'échantillon de solides et on le dis- perse en un temps d'une heure. A la fin de ce temps, on recueille l'écume et l'on prélève un échantillon d'un litre de mixtes. On évacue aussi les résidus du premier bassin. Ensuite, on dévie le courant en circulation contenant les mixtes et l'on remplit l'installation d'eau propre du robi- net. On recueille les résidus restants et on les ajoute aux résidus déjà récupérés. On dissout l'écume récupérée dans du toluène et on la distille pour en éliminer l'eau. On la pèse alors, on la réduit en cendres et on la repèse pour déterminer ses teneurs totales en bitume et en produits inorganiques. On sèche les résidus, on les pèse, puis on leur fait subir une extraction au trichloréthylène. On récupère le bi- tume de l'extrait et on le pèse. On filtre et on sèche l'échantillon de mixtes. On ). 7 détermine par la méthode Leco la teneur en carbone de l'ar- gile homogénéisée récupérée. On sait que le bitume contient % de carbone et l'on part de ce fait pour établir, d'après les teneurs en carbone déterminées par la méthode Leco, les teneurs en bitume correspondantes. L'essai suivant a porté sur un échantillon de sable asphaltique pur et démontre une bonne récupération de bitume dans l'écume. Le rendement de séparation s'est révélé élevé attendu que les minéraux présents dans cet échantillon com- portent surtout du sable et seulement 1,86% de mixtes. Fractions Minerai Ecume Mixtes Résidus Fraction, % de minerai sec 100 12, 05 1,86 86,08 Bitume, % de la fraction 11,76 90,26 25,02 0,48 Bitume, % du minerai sec 11,76 10,88 0,47 0,41 Bitume, % de bitume total 100 92,53 3,97 3,51 Dans l'essai suivant, on a incorporé par malaxage de la lentille d'argile à faible teneur en bitume à l'échantil- lon ci-dessus, riche en sable asphaltique. Avec cet échantil- lon, qu'on peut considérer comme représentatif d'une argile extraite à la limite de couches sableuses et soumise à une manutention mécanique, la récupération est moindre dans l'é- cume et plus élevée dans les mixtes. Lors de l'exploitation minière, le frottement exercé par une roue à godets mélange de manière aléatoire l'argile et le sable. Fractions Minerai Ecume Mixtes Résidus Fraction, % de minerai sec 100 4, 57 23,89 71,54 Bitume, % de la fraction 7,85 85,89 15,53 0,29 Bitume, % du minerai sec 7,85 3,93 3,71 0,21 Bitume, % de bitume total 100 50,04 47, 28 2,68 L'argile soumise à l'essai suivant est semblable à celle ayant servi à préparer le mélange soumis à l'essai ci- dessus. Fractions Minerai Ecume Mixtes Résidus Fraction, % de minerai sec 100 0,69 42,50 56,81 Bitume, % de la fraction 3,94 83,45 7,43 0,37 Bitume, % du minerai sec 3,94 0,58 3,16 0,21 Bitume, % de bitume total 100 14,68 80,05 5,27 L'essai suivant,portant sur un mélange de sable as- phaltique et de lentille d'argile étudie l'effet exerce par l'addition au minerai d'alcali (NaOH); cet effet est, au stade de conditionnement, de réduire la production d'écume, et donc le pourcentage de bitume récupérable. Fractions Minerai Ecume Mixtes Résidus Fraction, % de minerai sec 100 0, 30 36,64 63,06 Bitume, % de la fraction 7,57 92,35 19,49 0,23 Bitume, % du minerai sec 7,57 0,28 7,14 0,15 Bitume, % de bitume total 100 3,67 94, 40 1,93 Les expériences ci-dessus établissent que l'effet de lavage doux exercé selon l'invention permet d'extraire du bitume tant de sables asphaltiques que de lentilles pétrole/ argile contenant du goudron et ce, avec des rendements conve- nables. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour éliminer une matière polluante flottant à la surface d'un liquide, caractérisé en ce qu'on fait franchir à la matière polluante et au liquide le som- met d'un barrage (1, 2, 3) et on laisse la matière pollu- ante et le liquide tomber entre un côté du barrage et un déflecteur (4, 5, 6) situé tout près du barrage et qui pé- nètre dans un bassin de liquide (7, 8) situé en bas du bar- rage, on recueille la matière polluante (11, 12) présente dans ce bassin, on laisse la matière polluante se séparer du liquide dans une zone calme voisine du déflecteur, et l'on évacue séparément le liquide du bassin. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière polluante est du pétrole et le liquide, de l'eau, et en ce qu'on obtient ledit pétrole et ladite eau par extraction à l'eau de pétrole présent dans du sable asphaltique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière polluante est du pétrole et le liquide, de l'eauet en ce que ledit pétrole et ladite eau sont un effluent de raffinerie. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière polluante est du pétrole et le liquide de l'eau, en ce que ledit pétrole et ladite eau résultent du déversement de pétrole sur la surface d'une masse d'eau et en ce que ledit barrage est prévu sur un bateau pour l'écumage de produits pétroliers. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière polluante flotte à la surface d'eau s'écoulant en courant et en ce que le barrage s'étend en travers du courant. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la matière polluante est un surfactif. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'eau épurée est destinée à la consommation. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'eau subit une aération. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le barrage est dans un réservoir. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière polluante est une matière grasse. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le liquide est de l'eau d'égout. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matière grasse est de la graisse animale. 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on répète sensiblement les opérations au moins une fois en faisant franchir à l'eau extraite, à teneur en pé- trole réduite, le sommet d'un barrage suivant. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que chacun de deux barrages consécutifs a une section sensiblement triangulaire, le sommet du second barrage étant situé plus bas que celui du premier barrage, les deux barra- ges étant reliés par leurs bases. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on ajoute de la matière particulaire entre barra- ges consécutifs pour que le fond du bassin se profile auto- matiquement. 16. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prévoit un second déflecteur (13, 14), qui pé- nètre dans le sommet du bassin, au moins près de l'endroit o le liquide sort du bassin, afin de recueillir une nappe de matière polluante entre le déflecteur voisin du barrage et ledit second déflecteur et d'augmenter la hauteur d'un monticule de liquide formé dans le bassin entre les déflec- teurs. 17. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le barrage est une digue. 18. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le barrage est un déversoir. 19. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière polluante est du pétrole provenant de sable asphaltique et en ce que le liquide est de l'eau chaude.