Brevet FR2863907A1 — publié le 20050624

La présente invention a pour objet un séparateur à toit fixe destiné à l'épuration d'un liquide chargé en produit, notamment en hydrocarbures. Elle concerne particulièrement la séparation des hydrocarbures mélangés à l'eau et leur stockage sans évaporation à l'air. Elle est préférentiellement adaptée aux bassins de séparation et de déshuilage générant des vapeurs d'hydrocarbures aromatiques très toxiques tels que le benzène, le toluène ou le xylène. L'invention concerne plus généralement la séparation d'un produit mélangé à un liquide, non miscible avec ce liquide, ayant une densité inférieure à celle dudit liquide et dont on veut éviter la mise à l'air après séparation pour des raisons environnementales (ex: émission de vapeurs polluantes), techniques (ex: oxydation du produit séparé) ou économiques (ex: perte d'une quantité du produit séparé par évaporation). Les bassins de séparation, appelés aussi bassins de décantation, bassins de déshuilage ou bassins API (en référence aux normes American Petroleum Institute), sont en principe à ciel ouvert. En conséquent, l'évaporation des hydrocarbures, tels que le benzène, qui décantent en surface est très importante. Un bassin de décantation séparant annuellement 20.000 tonnes de benzène de l'eau peut ainsi en évaporer 3 à 5 % soit 600 à 1000 tonnes par an. Les réglementations en matière d'émission de Composés Organiques Volatils (COV), tels que le benzène, imposent une réduction très importante de ces émissions voire l'absence totale d'émission. Des subventions peuvent être accordées aux industriels pour les aider à aménager leurs installations. Différentes solutions existent pour réduire ou éliminer les vapeurs de COV. On trouve ainsi sur les sites pétrochimiques, des cuves à toit flottant et des cuves à toit fixe. Les cuves à toit flottant permettent, en priorité, le stockage des hydrocarbures en évitant leur évaporation à l'air et accessoirement leur séparation. Ces cuves sont généralement constituées d'une enveloppe cylindrique verticale à l'intérieur de laquelle coulisse un toit qui flotte à la surface du produit stocké. Le toit repose sur la surface du produit stocké et se déplace avec elle lors du remplissage ou de la vidange de la cuve. Il n'y a donc plus de couche d'air entre la surface du produit stocké et le toit flottant, les vapeurs de COV ne pouvant alors plus se former. Toutefois, il existe des pertes par évaporation du produit stocké, car l'étanchéité est difficile à réaliser entre les bords du toit flottant et l'enveloppe cylindrique de la cuve. Cette solution est donc mal adaptée pour le stockage des produits ayant un fort potentiel à émettre des vapeurs de COV. Les cuves à toit fixe constituent une alternative aux cuves à toit flottant. Dans ce cas, un toit est fixé en permanence au dessus de la cuve. Un ciel gazeux, comprenant les vapeurs de COV émises par évaporation, existe donc continuellement au dessus du produit stocké. La solution régulièrement utilisée pour éliminer ces vapeurs de COV consiste en un inertage à l'azote. L'inertage est surveillé régulièrement en raison de la migration de l'oxygène dissous dans l'eau du mélange liquide à traiter vers le ciel gazeux. En effet, en cas de présence trop importante d'oxygène, le risque d'explosion étant accru, de l'azote est injecté. Le débit moyen d'azote injecté est de l'ordre de 10 m3/h. De plus et par sécurité, une légère surpression est maintenue dans le ciel gazeux pour éviter toute entrée d'air venant de l'extérieur. L'azote alors chargé en COV est chassé lors des injections de purges et envoyé vers un module de traitement éliminant les COV avant rejet dans l'atmosphère. Il existe également des cuves à toit fixe équipées d'un toit flottant afin de réduire au minimum l'évaporation du produit stocké. Mais cette solution ne résout pas totalement le problème technique posé à cause de la mauvaise étanchéité citée précédemment, au niveau du toit flottant. Sur les sites pétrochimiques, un ou plusieurs écrémeurs de surface pompent en permanence les hydrocarbures présents dans les bassins de décantation pour les acheminer vers un séparateur eau/hydrocarbures. Ces hydrocarbures sont ensuite stockés vers un réservoir qui doit lui aussi être équipé d'un dispositif d'élimination des vapeurs de COV. Les solutions décrites ci-dessus présentent donc un certain nombre d'inconvénients: obligation de prévoir un écrémeur de surface pour éviter le stockage dangereux d'une trop grande quantité d'hydrocarbures; obligation de prévoir un séparateur eau/hydrocarbures pour ne pas stocker inutilement de l'eau ainsi qu'une cuve de stockage des hydrocarbures; émission de vapeurs de COV dans le cas d'une cuve de stockage à toit fixe nécessitant une unité de traitement des COV; consommation importante d'azote; mesure et régulation de la pression du ciel gazeux; surveillance de la quantité d'oxygène dans le ciel gazeux; danger d'explosion en cas de défaut d'inertage; La présente invention a pour but de pallier cet état des choses notamment du fait qu'elle permet de traiter un flux continu pour la séparation et le stockage dans un bassin de décantation spécifique, des hydrocarbures mélangés à l'eau ou de tout autre produit mélangé à un liquide, non miscible avec ce liquide, ayant une densité inférieure à celle dudit liquide et dont on veut éviter la mise à l'air après séparation. Elle a pour but également d'empêcher toute évaporation à l'air des produits piégés et donc de supprimer la formation des vapeurs de COV dans le cas des hydrocarbures ou les risques d'oxydation, par exemple, dans le cas d'autres produits, en éliminant la présence d'un ciel gazeux à l'intérieur dudit bassin de décantation. Un autre but est de ne plus faire appel ni à l'inertage par ciel gazeux ni aux traitements des vapeurs de COV dans le cas de la séparation des hydrocarbures. Ces buts sont atteints par un séparateur destiné à l'épuration d'un liquide chargé en produit, notamment en hydrocarbures, comportant un bassin de décantation recouvert par un toit fixe, ledit bassin de décantation étant pourvu d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie permettant la circulation du liquide chargé, se caractérisant par le fait que les niveaux dudit orifice d'entrée et dudit orifice de sortie sont au dessus du niveau interne dudit toit fixe. Cette configuration particulière permet une mise en charge hydraulique permanente qui évite toute entrée d'air dans le bassin de décantation susceptible de former un ciel gazeux au dessus du produit séparé. Plus particulièrement, cette mise en charge hydraulique permanente est obtenue grâce à un orifice d'entrée comportant un compartiment d'entrée dont le niveau ne peut jamais descendre au dessous du niveau interne du toit fixe, même à débit d'entrée nul et une surverse de sortie dont le niveau est situé au dessus du niveau interne du toit fixe. Les buts de l'invention sont également atteints par la mise en place d'une cloison siphoïde dans le bassin de décantation permettant de séparer le produit du liquide chargé et de le stocker. Des évents peuvent également être mis en place pour éviter tout risque de formation d'un ciel gazeux dans le bassin de décantation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe verticale selon A-A du séparateur objet de l'invention montrant ses différents éléments constitutifs; la figure 2 est une vue en coupe verticale selon B-B de l'orifice d'entrée du séparateur selon l'invention. La description est relative à la séparation des hydrocarbures mélangés à de l'eau. Mais l'invention, plus généralement, s'applique à la séparation d'un produit mélangé à un liquide, non miscible avec ce liquide, ayant une densité inférieure à celle dudit liquide et dont on veut éviter la mise à l'air après séparation. En se référant à la figure 1, le séparateur objet de l'invention est constitué par un bassin de décantation 1 qui permet à l'eau de s'épurer progressivement et qui permet de stocker les hydrocarbures dont on veut éviter la mise à l'air après séparation. Un toit fixe 2, recouvre la partie supérieure de ce bassin de décantation. Le liquide chargé est amené vers le bassin de décantation par un orifice d'entrée 3. Cet orifice d'entrée est constitué par un conduit d'entrée 31 dont le niveau 34 est situé au dessus du niveau interne 20 du toit fixe 2. Ce conduit d'entrée débouche sur un compartiment d'entrée 32 pouvant être intégré à la structure du bassin de décantation. Ce compartiment dispose dans sa partie inférieure d'une ouverture 33 débouchant dans le bassin de décantation 1, en dessous du niveau interne du toit fixe 2. Comme représenté sur la figure 1, l'agencement de ces différents éléments est tel que, après remplissage du bassin de décantation, le niveau minimum de liquide chargé contenu dans le compartiment d'entrée 32, correspondant au niveau 34 du conduit d'entrée, ne peut jamais descendre, même à débit d'entrée nul, en dessous du niveau interne du toit fixe. Le débit maximal de liquide chargé entrant dans le bassin de décantation est réglé par une vanne 35 placée au niveau de l'ouverture 33. Cette vanne permet également d'isoler le bassin de décantation lorsqu'une intervention est nécessaire. Le compartiment d'entrée 32 est équipé dans sa partie supérieure d'une surverse d'entrée 36 définissant le niveau maximal de liquide chargé admis dans ce compartiment. Tant que le débit entrant est inférieur ou égal au débit maximal réglé par la vanne 35, le liquide chargé est totalement dérivé vers le bassin de décantation 1. Lorsque le débit entrant est supérieur au débit réglé (en cas d'orage par exemple), l'excédent passe au dessus de la surverse d'entrée pour être dirigé, grâce à une conduite de secours 37, vers un autre séparateur ou un bassin de secours (figure 2). Un déflecteur 11 est placé dans le bassin de décantation 1, en regard de l'ouverture 32, afin de modifier la direction du flux de liquide chargé dans le bassin de décantation 1, pour une bonne décantation. Les dimensions du bassin de décantation permettent de respecter les ratios de vitesses horizontales et verticales assurant une bonne décantation. Ces ratios sont calculés en fonction du type de produits à séparer et permettent de définir les dimensions adéquates du bassin de décantation. Les matières lourdes en suspension décantent dans un cône de décantation 12 situé sur la partie basse du bassin de décantation 1 (figure 1). Les sédiments ou boues huileuses ainsi stockés peuvent alors être évacués par un conduit 14 prévu à cet effet. Le bassin de décantation est équipé d'une cloison siphoïde au niveau de l'orifice de sortie 4. Cette cloison siphoïde est formée par deux parois sensiblement verticales dont l'une, située en amont 41a, laisse un passage à son point bas et l'autre, située en aval 41b, laisse un passage à son point haut (figure 1). Le passage au point haut de la paroi aval 41b forme une surverse de sortie 42 dont le niveau est situé au dessus du niveau interne du toit fixe 2. Le niveau de la surverse 42 correspond au niveau 34 du conduit d'entrée, ceci afin d'éviter tout retour en cas de débit nul. Les hydrocarbures, ayant une densité inférieure à la densité de l'eau, vont migrer vers la partie supérieure du bassin de décantation et vont être piégés au niveau de la paroi verticale amont 41a, entre le toit fixe 2 et l'eau en cours de décantation (figure 1). L'eau épurée 43, de densité supérieure à celle des hydrocarbures, va décanter vers la partie inférieure du bassin de décantation et après passage par le point bas de la cloison siphoïde, va passer au dessus de la surverse de sortie 42 et se déverser dans un poste de relevage 44 servant au stockage. L'eau épurée est ensuite évacuée par un conduit de sortie 45 placé dans la partie basse du poste de relevage. Le niveau d'eau épurée dans le poste de relevage 44 peut être maintenu constant, quel que soit le débit de liquide chargé traité, grâce à une pompe d'évacuation asservie placée au niveau du conduit de sortie 45. Les niveaux sur l'entrée et sur la sortie du bassin de décantation 1 sont donc situés au dessus du niveau interne du toit fixe 2. Cette disposition permet une mise en charge hydraulique permanente du bassin de décantation, le séparateur objet de l'invention se comportant en fait comme une grosse canalisation en forme de U remplie de liquide. Il n'y a donc plus d'entrée d'air possible dans le bassin de décantation lors de la circulation du liquide chargé, les hydrocarbures ou tout autre produit séparés restant en contact permanent avec le toit fixe 2. Les risques d'évaporation, de formation de COV, d'inflammation et d'explosion sont donc totalement éliminés. En se référant à la figure 1, la paroi amont 41a de la cloison siphoïde et la paroi aval du poste de relevage servent à former une enceinte de rétention 47 mettant le séparateur objet de l'invention en surverse automatique: si la pompe asservie placée au niveau du conduit de sortie 45 tombe en panne, l'enceinte de rétention 47 se remplit entièrement d'eau épurée jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de circulation possible en aval du bassin de décantation. Dans ce cas, en amont du bassin de décantation, le liquide chargé déborde du compartiment d'entrée 32 par la surverse d'entrée 36 pour être dirigé vers un autre séparateur ou vers un bassin de secours. La mise en surverse automatique se produit de manière équivalente si le débit d'évacuation possible sur la pompe asservie placée au niveau du conduit de sortie 45 devient inférieur au débit réglé par la vanne 35. Dans la configuration présentée, un relevage aval du liquide chargé à traiter est réalisé, mais ce relevage pourrait être amont avec rejet aval dans un canal de sortie en gravitaire. De même, l'installation pourrait être totalement gravitaire et ne comporter ni relevage amont ni relevage aval, mais simplement être équipée d'un conduit d'entrée et d'un conduit de sortie reliés au bassin de décantation pour permettre la circulation du liquide chargé, les niveaux de ces deux conduits étant situés au dessus du niveau interne du toit fixe 2. Des trappes de visites 22 situées sur le toit fixe 2 permettent de communiquer avec l'intérieur du bassin de décantation 1 lors d'une intervention. Dans certains cas et notamment pour le traitement de l'eau chargée en hydrocarbures, des microbulles d'air ou de gaz peuvent être emprisonnées ou se former et remonter vers le toit fixe 2 lors de la séparation. Pour éviter ces risques de formation de poches de gaz ou de ciel gazeux, il est prévu de mettre l'enceinte à pression atmosphérique grâce à des évents 23, situés au niveau des trappes de visites, qui laissent échapper les gaz du bassin de décantation. Ces évents sont raccordés à un collecteur d'évents 24 débouchant à l'air libre. Le collecteur d'évents 24 est raccordé à un pare flamme 26 pour éviter tout risque de retour de flamme ou d'explosion. Les évents mis à pression atmosphérique se remplissent partiellement d'hydrocarbures. La hauteur d'hydrocarbures dans ces évents (référence 25, figure 1) est alors celle du niveau de la surverse de sortie 42. Les poches de gaz ou le ciel gazeux ne peuvent donc pas se former à l'intérieur du bassin de décantation. Le collecteur d'évents 24 débouche à l'air libre par un conduit de faible section. Les diamètres des évents, du collecteur d'évents et du conduit débouchant à l'air libre seront dimensionnés pour minimiser la surface d'évaporation et pour maintenir la surface liquide d'hydrocarbures à une tension de vapeurs saturantes, l'évaporation ne pouvant plus se produire dans ces conditions. Le diamètre de tous ces conduits sera préférentiellement d'environs 25 millimètres. Les évents 23 sont également utilisés lors du remplissage du bassin de décantation 1: à mesure que le niveau de liquide augmente dans ce bassin de décantation, la poche de gaz située entre le liquide chargé et le toit fixe est chassée par ces évents. Le même résultat pourrait être obtenu en laissant ouvertes les trappes de visites jusqu'au remplissage complet du bassin de décantation. Les évents ne sont utilisés que dans le cas où il y a un risque de formation d'un ciel gazeux provenant de l'emprisonnement ou de la formation de gaz dans le liquide chargé à traiter. Les très bonnes conditions de conservation du produit dans la partie supérieure du bassin de décantation permettent son stockage à moyen ou long terme en vue de sa valorisation future. Grâce à des conduits d'extraction 27 situés au niveau du toit fixe 2, le produit peut être directement dépoté par camion ou pompé vers des unités où il sera utilisé. Ces bonnes conditions de conservation concernent en particulier l'aspect sécurité et la protection à l'oxydation du produit. Les conditions de stockage sont proches de celle d'un bassin à toit flottant, mais dans le séparateur de liquides selon l'invention, c'est le plancher d'eau qui est mobile. La surveillance et la gestion de ce stockage sont réalisées grâce à la mise en oeuvre d'une mesure d'interface évaluant l'épaisseur du produit stocké dans le bassin de décantation. Cette mesure est réalisée par une sonde 28 du type radar où une onde est réfléchie à l'interface de deux diélectriques différents, tout autre moyen de mesure équivalent pouvant être utilisé. La mesure de cette épaisseur, corrélée avec la géométrie du bassin de décantation, permet la connaissance précise du volume de produit stocké. Le volume maximal stockable est notamment fonction de la géométrie de la cloison siphoïde et de la position verticale de l'ouverture 33 au niveau du bassin de décantation 1 qui peut être sans inconvénient très au dessous du niveau interne du toit fixe 2. Le volume de stockage peut atteindre plus de la moitié du volume du bassin de décantation 1. Selon un mode préféré de réalisation, la mesure d'interface est associée à des seuils d'alarmes ou de défaut respectivement lorsque le volume maximal de stockage est atteint ou lorsque, après dépotage, la totalité du produit a été extraite. L'invention trouve notamment son application dans la construction de bassins de décantation et de séparation d'hydrocarbures aromatiques très toxiques tels que le benzène, le toluène, ou le xylène dans les égouts huileux, les bassins de prédécantation d'huiles légères, les séparateurs/stockeurs d'hydrocarbures, les unités de séparation des hydrocarbures des eaux de ballast des navires et de stockage des hydrocarbures résiduels, des barges de récupération d'eaux polluées par hydrocarbures. Elle concerne plus généralement la séparation d'un produit mélangé à un liquide, non miscible avec ce liquide, ayant une densité inférieure à celle dudit liquide et dont on veut éviter la mise à l'air après séparation pour des raisons environnementales, techniques ou économiques. La présence et le positionnement des divers éléments constitutifs donnent à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires. 2863907 - REVENDICATIONS 1. Séparateur destiné à l'épuration d'un liquide chargé en produit, notamment en hydrocarbures, comportant un bassin de décantation (1) recouvert par un toit fixe (2), ledit bassin de décantation étant pourvu d'un orifice d'entrée (3) et d'un orifice de sortie (4) permettant la circulation du liquide chargé, se caractérisant par le fait que les niveaux dudit orifice d'entrée et dudit orifice de sortie sont au dessus du niveau interne (20) dudit toit fixe. 2. Séparateur selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que l'orifice d'entrée (3) comporte un compartiment d'entrée (32) muni d'un conduit d'entrée (31) situé au dessus du niveau interne (20) du toit fixe (2) par lequel est amené le liquide chargé, et d'une ouverture (33) débouchant dans le bassin de décantation (1), située en dessous dudit niveau interne du toit fixe. 3. Séparateur selon la revendication 2, se caractérisant par le fait que le compartiment d'entrée (32) comporte une surverse d'entrée (36) pour limiter le débit de liquide chargé circulant dans le bassin de décantation (1). 4. Séparateur selon l'une des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'orifice de sortie (4) est formé par une cloison siphoïde. 5. Séparateur selon la revendication 3, se caractérisant par le fait que la cloison siphoïde est formée par deux parois sensiblement verticales, la paroi amont (41a) laissant un passage à son point bas et la paroi aval (41b) laissant un passage à son point haut. 6. Séparateur selon la revendication 4, se caractérisant par le fait que le passage au point haut de la paroi aval (41b) forme une surverse de sortie - 12 - (42) dont le niveau est situé au dessus du niveau interne (20) du toit fixe (2). 7. Séparateur selon l'une des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que des évents (23), situés sur le toit fixe (2) , sont mis à pression atmosphérique. 8. Séparateur selon la revendication 6, se caractérisant par le fait que les évents (23) sont raccordés à un collecteur d'évents (24) débouchant à l'air libre par un conduit, les diamètres desdits évents, dudit collecteur et dudit conduit étant dimensionnés pour maintenir la surface liquide à une tension de vapeurs saturantes. 9. Séparateur selon l'une des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'orifice de sortie (4) comporte un moyen (47) pour limiter le débit de liquide chargé circulant dans le bassin de décantation (1). 10. Séparateur selon les revendications 3 et 9, se caractérisant par le fait que le moyen pour limiter le débit de liquide chargé circulant dans le bassin de décantation (1) est une enceinte de rétention (47) pour la mise en surverse automatique du liquide chargé..