Brevet FR2628336A1 — publié le 19890915

La présente invention concerne un dispositif permettant la séparation de deux liquides non miscibles émulsionnés en présence de sédiments, sur un matériau favorisant la coalescence. Les dispositifs se rapprochant de la présente invention et connus à ce jour peuvent être classés en deux catégories : les coalesceurs et les filtres coalesceurs. Les coalesceurs sont des appareils munis de garnissages ou de matériaux poreux qui favorisent le rassemblement des fines gouttelettes émulsionnées en de plus grosses qui décantent naturellement par gravité et peuvent donc être séparées. Ils sont autorégénérants vis-à-vis des deux phases liquides ; mais ils ont l'inconvénient d'être sensibles aux particules solides indéformables qui colmatent rapidement les garnissages ou les matériaux poreux. Leur application est donc limitée au traitement des liquides exempts de polluants solides, comme par exemple les condensats pollués uniquement par des huiles. Les filtres coalesceurs sont des équipements fonctionnant comme des filtres à sable, mais dont le sable a été remplacé par un garnissage oléophile, lequel retient également le liquide huileux émulsionné et les sédiments. Lorsque le garnissage est saturé (de liquide et de -sédiments), on le régénère à contrecourant, mais au prix d'une forte diminution du débit moyen de l'installation et en créant un important volume d'eaux de lavage. Des améliorations ont été apportées à ces matériels en vue de réduire l'incidence du colmatage, par exemple par utilisation, comme il est décrit aux brevets européens EP 0 004 724 ou EP 0 207 797, de matériaux coalesceurs constitués par des lits de fibres dont les extrémités sont prises entre des plateaux mobiles ; ce sont les mouvements relatifs de ces plataux qui permettent de mettre les lits coalesceurs en état comprimé ou détassé. Mais, outre le fait qu'on doive faire appel à des matériaux coalesceurs très particuliers, les manoeuvres de ces matériels sont fort malcommodes, et leur fragilité est certaine. Dans le brevet français FR 77 29775, le matériau coalesceur est un matériau granulaire qui est logé entre des plateaux rigides, munis d'organes mécaniques d'écartement. Ce système présente également un gros défaut de maniabilité. La présente invention remédie à ces inconvénients inhérents aux réalisations antérieures. Elle a pour objet un appareil autorégénérant pour la séparation par coalescence de liquides émulsionnés qui contiennent en outre des sédiments en suspension, qui est constitué d'une cuve cylindrique comportant a) un compartiment à remplissage garni d'un matériau granulaire favorisant la coalescence où s'effectue la coalescence de l'émulsion, b) un ensemble de compartiments où s'effectue la décantation des fluides désémulsionnés, et c) des moyens d'amenée des liquides émulsionnés, des moyens de séparation et d'extraction des liquides séparés, et des moyens d'évacuation des liquides utilisés pour la régénération du matériau granulaire favorisant la coalescence, dont la caractéristique est le compartiment à remplissage, garni de matériau granulaire favorisant la coalescence, dont la paroi inférieure, ou le cas échéant la paroi cylindrique latérale, est une membrane déformable actionnable au moyen d'un fluide hydraulique ou pneumatique. Grâce à ce dispositif, on obtient la coalescence des liquides émulsionnés par passage au travers du lit compacté de matériau granulaire favorisant la coalescence ; puis lorsque le lit de matériau granulaire est colmaté, on le décolmate par rinçage à contre-courant en prélevant, au sein même de l'appareil coalesceur selon l'invention, l'eau de régénération sur l'eau épurée, le lit de matériau granulaire étant alors en état décompacté., le compactage et décompactage du matériau granulaire étant réalisés grâce à une action hydraulique ou pneumatique exercée sur la membrane déformable constituant l'une des parois du compartiment où est logé le matériau granulaire. La phase de régénération est remarquablement aisée du fait que le lit de matériau granulé coalesceur est totalement détassé, qu'il peut alors être brassé mécaniquement, et qu'il est ainsi très facilement débarrassé des sédiments cçlmatants. Les coalesceurs selon l'invention sont appréciés pour l'autonomie de leur fonctionnement en regénération et pour leur faible encombrement. Diverses autres caractéristiques ressortent des descriptions détaillées, données ci-après avec les dessins qui y sont annexés, d'un mode de réalisation et de son cycle de fonctionnement. LE COALESCEUR Le coalesceur représenté schématiquement sur les figures 1 et 2 est plus particulièrement destiné au traitement d'huiles émulsionnées dans des eaux par ailleurs chargées en sédiments solides et le cas échéant en huiles visqueuses et collantes. Il est constitué d'un réservoir cylindrique (1) à axe vertical, dont la partie inférieure est formée par un fond bombé (2) auquel est relié un conduit (3), lui-même connecté à une source de fluide sous pression. A la partie supérieure, on trouve un toit bombé (4), traversé en son centre par un axe (5) rotatif relié à un ensemble moteur l'actionnant en rotation continue ou alternée. Le toit bombé (4) est également muni d'un évent (6). La partie cylindrique du corps de l'appareil ou virole est traversée par au moins trois tuyauteries - une tuyauterie munie d'une vanne à trois voies (34), reliée en (7) à la canalisation d'amenée des fluides à traiter et en (8) aux canalisations de sortie des eaux de rinçage et d'un manostat (9), et qui se prolonge par une crépine (10) ; - la sortie des eaux épurées (11), reliée à la chambre interne (12) - la sortie des huiles séparées (3) reliée à la chambre de récupération d'huile (14). Elle est organisée en une zone de coalescence, une zone de séparation des fluides désémulsionnés dans la zone de coalescence, et une zone de récupération et d'évacuation des eaux épurées et des huiles désémulsionnées. Dans ce but, elle est divisée intérieurement en sept capacités principales que l'on décrit ci-après. En partie inférieure, on rencontre une première capacité (15), limitée par le fond bombé (2) et par une membrane élastique (16). Cette capacité est reliée par la tuyauterie (3) à une source de fluide sous pression, grâce à laquelle on la vide ou la remplit selon les besoins. Un deuxième compartiment (17), à volume variable, est limité à sa partie inférieure par une membrane déformable (16) et à sa partie supérieure par une tôle perforée (18). Il est rempli d'un matériau granulaire favorisant la coalescence. Ce compartiment contient également un mélangeur (19) relié à l'arbre (5) et une crépine (10). Ce deuxième compartiment constitue la zone active de coalescence. Par le jeu de la membrane déformable (16), son volume peut s'accroître aux dépens de celui de la première capacité (15). Une troisième capacité (20) comprise entre les tôles perforées (18) et (21) contient un garnissage à grande surface de contact. La quatrième capacité (22) est une cheminée limitée par la tôle perforée (21), par le cône (23) et par le cylindre (24), lequel présente des ouvertures (25) débouchant sur la cinquième capacité. Les ouvertures (25} sons ainsi disposées qu'elles permettent une distribution uniforme du liquide dans la capacité suivante. Il y a avantage à donner une forme de fentes verticales à ces ouvertures et de les disposer symétriquement sur la cheminée (24). Cette capacité se termine en sa partie supérieure par le déversoir (26). La cinquième capacité (27) est une chambre limitée par l'enveloppe cylindrique (1), par le cône (28) dans sa partie inférieure et par le cylindre (29). Elle est partiellement occupée par un séparateur à plaques parallèles (30). En partie supérieure, est aménagé un seuil (32) par lequel le liquide occupant la capacité (27) déborde vers la capacité (14). Ces troisième, quatrième et cinquième capacités constituent la zone où s'opère la séparation effective des fluides désémulsionnés dans le deuxième compartiment (17). La sixième capacité est la cheminée de remontée d'eau, constituée de l'espace.entre cônes (23) et (28), des tubes (31), du cône (33) et de la chambre (12). Elle est munie d'un tube d'équilibrage de pression (34) et est reliée à l'extérieur par la tuyauterie (11). Les tubes (31) sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de l'appareil, de façon à éviter l'établissement de courants préférentiels-; le nombre de tubes et leur section sont fonction du débit de l'appareil et de la perte de charge admissible. On préférera les constructions comportant au moins trois tubes. L'appareil représenté sur la figure 2 en comporte quatre. La septième et dernière capacité est la chambre (14) de récupération d'huile, qui débouche vers l'extérieur par la tuyauterie (13). Cet ensemble des sixième et septième capacités constitue la zone de récupération et d'évacuation des fluides désémulsionnés et séparés dans les compartiments ou capacités précédents. La membrane élastique (16) qui constitue la paroi souple entre la première capacité (15) et la deuxième capacité (17) se présente sous la forme d'une calotte sphérique qui épouse approximativement la forme du fond bombé (2) lorsqu'aucune pression n'est envoyée par le conduit (3). Elle est fixée sur le corps de l'appareil par son bord extérieur. Elle est réalisée de préférence en élastomère synthétique (par exemple, en caoutchouc nitrile ou en élastomère fluorocarboné). Le materiau granulaire favorisant la coalescence qui remplit la capacité (17) est composé de grains doués d'une résistance mécanique suffisante pour supporter les efforts imposés par le mélangeur (19). Sa granulométrie est appropriée à la composition du milieu à traiter et à la nature et la taille de ses polluants solides. Une granulométrie de 0,4 à 0,8 mm est généralement préférée. Ce peut être un sable ou des grains de verre, le cas échéant traités pour être mouillables par le liquide émulsionné. Dans le cas fréquent des émulsions huiles, on préfère utiliser à cet effet une résine oléophile, telle que décrite dans lebrevet français N0 70 07641. Le garnissage qui remplit la capacité (20) est constitué d'un matelas de matériau à grande surface, de préférence mouillable, comme le garnissage précédent, par le liquide émulsionné. Il peut être fait de paille tressée d'acier inoxydable, de copeaux de téflon, etc... On utilise volontiers des granulés de résine oléophile, de même granulométrie que celle qui constitue le garnissage de la capacité (17), ou de granulométrie plus grosse. Les coalesceurs de l'invention fonctionnent selon une alternance de cycles de traitement et de régénération, comme on le décrit ci-après. LE CYCLE DE TRAITEMENT (voir figure 3) On alimente l'appareil soit par pompe soit par gravité par le conduit (7) en prenant soin de ne pas dépasser un débit maximum qui est fonction de la géométrie de l'appareil et des qualités du matériau granulaire de coalescence, et qui se définit comme celui au-delà duquel les gouttes coalescées se remettent en émulsion et sont donc irrécupérables. Avec les résines oléophiles telles que décrites au brevet français N0 70 07641, il est de l'ordre de 10 à 30 mètres cubes par mètre carré de lit coalescent et par heure Le garnissage de la capacité (17) est compacté en envoyant un fluide sous pression par le conduit (3) dans la capacité (15). Le mélange à traiter est introduit par la crépine (10) dans le garnissage de la capacité (17) ; les fines gouttelettes d'huile coalescent sur le garnissage, et l'huile ressort à travers la tôle perforée (18) sous forme de gouttelettes plus grosses qui se rassemblent dans le- garnissage de la capacité~(20), et en ressortent par la tôle perforée (21) sous forme de grosses gouttes. Seuls les sédiments, et éventuellement des huiles très visqueuses et collantes, restent piégés dans la crépine (10) et dans le garnissage de la capacité (17) : le garnissage filtrant est donc autorégénérable en ce qui concerne les phases liquides aqueuses et huileuses. L'eau chargée de gouttes d'huile, mais ne contenant plus de sédiment remonte par la cheminée (22) ; les gouttes les plus grosses remontent directement par simple effet de différence de densité au sommet de l'appareil et se séparent dans la chambre (14) en passant par le seuil du déversoir (26) ; les gouttes plus fines pénètrent avec l'eau qui les transporte dans la chambre (27) en empruntant les ouvertures (25), puis passent à travers les plaques parallèles (30) qui favorisent leur séparation mécanique par effet de choc et effet de parois. Le principe de fonctionnement de ces plaques parallèles est bien connu de l'homme du métier (décantation lamellaire) et largement utilisé dans la réalisation aussi bien des séparateurs que des centrifugeuses.L'huile coalescée s'écoule le long des plaques et se rassemble à la partie supérieure, tandis que l'eau redescend, emprunte le cheminement de la sixième capacité où elle remonte et d'où elle déborde par le seuil constitué par le cône (33) dans la chambre d'évacuation (12). Le principe même de récupération de l'eau et de l'huile par débordement sur deux seuils à niveaux différents dans deux branches d'un tube en 'lU'l est bien connu de l'homme du métier, e#t il n'est pas nécessaire de le détailler ici. On rappelle simplement que l'eau se déversant sur le niveau supérieur du cône fixe un niveau de référence hydraulique. Les seuils (26) et (32) étant plus hauts que le seuil (33), il n'y aura débordement d'huile par ces seuils que lorsque la hauteur d'huile dans la quatrième et cinquième capacité aura atteint une valeur suffisante, donnée par la-formule H=h/(l-d), où H est la hauteur d'huile, h la différence de niveau des seuils et d la densité de l'huile. L'eau qui a débordé par le cône (33) est évacuée par gravité par la chambre (12) et la tuyauterie (11). L'huile déborde par les seuils (26) et(32) et s'écoule dans la chambre (14), puis toujours par gravité vers l'extérieur par la tuyauterie (13). La séparation des émulsions est donc automatique et autorégénérante. Les sédiments quant à eux restant bloqués dans la crépine (10) et dans le garnissage occupant la capacité (17). Il s'ensuit une augmentation graduelle de la perte de charge que l'on peut suivre sur le manomètre (9) ; il y a lieu d'opérer une régénération quand le colmatage est jugé excessif. LE CYCLE DE REGENERATION (voir figure 4) L'appareil n'étant plus alimenté, on vide la capacité (15), ce qui a pour effet de détasser le garnissage de la capacité (17). L'arbre (5) est mis en rotation continue ou alternée : le mélangeur (19) détasse complètement le garnissage et les frottements des grains les uns sur les autres détachent les huiles visqueuses et collantes piégées et les sédiments. La vanne à trois voies (34) étant inversée, l'eau traitée qui réside dans les quatrième et cinquième capacités s'écoule vers le bas de l'appareil, et au passage rince à contre-courant les garnissages et la crépine (10), puis s'évacue avec les sédiments entrainés par la tuyauterie (8). Lorsque le niveau de l'eau atteint le bas des ouvertures (25), la phase de régénération est automatiquement terminée. Si l'on craint que des huiles surnageantes s'échappent avec les eaux de rinçage, on arrête l'opération en fermant la vanne (34) lorsque le niveau de l'eau (celui de l'interface eau-huile) atteint le haut des ouvertures (25). On peut alors repasser en cycle de traitement. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ici représenté et décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées sans en altérer la portée. Par exemple, une variante de l'appareil consistera à délimiter le deuxième compartiment à sa partie supérieure par la tôle perforée (18) et à sa partie inférieure par un fond rigide, tandis que la paroi latérale en sera constituée par la membrane élastique en forme de manchon cylindrique fixé par ses bords inférieur et supérieur au corps cylindrique de l'appareil.Le fluide de pression qui commande le tassement du remplissage granulaire de coalescence est alors distribué dans l'espace compris entre cette membrane et le corps de l'appareil qu'il remplit en comprimant le matériau granulaire ; par relâchement de la pression de ce fluide, la membrane vient à nouveau épouser la paroi cylindrique de l'appareil et le matériau granulaire qu'elle contient passe à l'état détassé. On peut également constituer une unité de séparation par juxtaposition de plusieurs capacités de coalescence et de décantation fonctionnant en série ou en parallèle. On peut également améliorer le fonctionnement des installations qui doivent travailler sur des liquides fortement chargés en émulsion et en sédiments, en plaçant un filtre ou un séparateur dégrossisseur en amont du coalesceur selon l'invention. L'utilisation qui est faite de ce type d'appareil n'est pas limitée à l'utilisation exemplifiée. Le coalesceur selon l'invention est un système général de séparation liquideliquide. Il peut, entre autres, être appliqué sans modification profonde à la séparation de systèmes liquide-liquide constitués d'une phase continue lourde et d'une phase émulsionnée légère, par exemple un hydrocarbure chloré contenant de l'eau émulsionnée. Les dispositifs selon l'invention trouvent leur emploi, notamment pour le traitement des eaux industrielles, des eaux de gisement, des eaux de ruissellement, des eaux de ballast, des liquides de coupe, des liquides de lavage en sidérurgie, pour l'extraction des essences et des solvants, etc... REVENDICATIONS 1. Appareil autorégénérant pour la séparation par coalescence de liquides émulsionnés qui contiennent en outre des sédiments en suspension, constitué d'une cuve cylindrique comportant un compartiment à remplissage garni d'un matériau granulaire favorisant la coalescence où s'effectue la coalescence de l'émulsion, surmonté d'un ensemble de compartiments où s'effectue la décantation des fluides désémulsionnés, et munie de moyens d'amenée des liquides émulsionnés, de moyens de séparation et d'extraction des liquides séparés, et de moyens d'évacuation des liquides utilisés pour la régénération du matériau granulaire favorisant la coalescence, caractérisé en ce que le compartiment à remplissage garni d'un matériau granulaire favorisant la coalescence est une capacité dont la paroi inférieure ou la paroi latérale est une membrane déformable, et en ce que cette membrane peut être actionnée au moyen d'un fluide hydraulique ou pneumatique. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane déformable constitue le fond du compartiment à remplissage garni d'un matériau granulaire favorisant la coalescence, et en ce que cette membrane est actionnée par les variations de pression d'un fluide pneumatique ou hydraulique dans une capacité située au dessous de cette membrane. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane déformable constitue la paroi latérale du compartiment à remplissage garni d'un matériau granulaire favorisant la coalescence, et en ce que cette membrane est actionnée par les variations de pression d'un fluide pneumatique ou hydraulique distribué entre le corps cylindrique de la cuve de l'appareil et cette membrane. 4. Appareil selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que compartiment à remplissage garni d'un matériau granulaire favorisant la coalescence est muni d'un mélangeur relié à un arbre vertical rotatif. 5. Appareil selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zône où s'effectue la décantation et la séparation des fluides désémulsionnés comprend a) un compartiment contenant un garnissage å grande surface b) une cheminée qui le surmonte et qui débouche par le haut dans une chambre de récupération, et qui communique par des ouvertures situées dans sa partie intermédiaire avec la capacité suivante c) une chambre partiellement occupée par un séparateur à plaques parallèles. 6. Appareil selon les revendications l å 3, caractérisé en ce que les moyens d'amenée des liquides émulsionnés à séparer et les moyens d'évacuation des liquides utilisés pour la régénération du matériau granulaire favorisant la coalescence sont constitués par une tuyauterie munie d'une vanne à trois voies, reliée d'une part à la canalisation d'amenée des fluides émulsionnés a traiter et à la canalisation d'évacuation, et d'autre part à une crépine plongeant dans le matériau granulaire favorisant la coalescence. 7. Appareil selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la membrane déformable est réalisée en élastomère synthétique 8. Appareil selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau granulaire favorisant la coalescence est constitué par des granulés de résine oléophile. 9. Appareil selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le liquide de régénération du matériau granulaire favorisant la coalescence est prélevé sur les liquides traités résidant dans les compartiments où s'effectue la décantation et la séparation des liquides désémulsionnés. 10. Procédé pour la séparation par coalescence de liquides émulsionnés qui contiennent en outre des sédiments en suspension, consistant a traiter les liquides à désémulsionner dans un appareil coalesceur en les faisant passer à travers un lit compacté de matériau granulaire favorisant la coalescence, à recueillir les liquides séparés dans des capacités aptes-à opérer leur décantation, leur collecte et leur évacuation, puis lorsque le lit de matériau granulaire est colmaté, à le décolmater par rinçage à contre courant en prélevant, au sein même de l'appareil coalesceur, l'eau de régénération sur l'eau épurée, le lit de matériau granulaire étant alors en état décompacté ; le compactage et décompactage du matériau granulaire étant obtenus grâce à une action hydraulique où pneumatique sur une membrane déformable constituant l'une des parois du compartiment où est logé le matériau granulaire.