Brevet FR2871392A1 — publié le 20051216

DISPOSITIF DE MELANGE HYDRAULIQUE D'UN COAGULANT DANS UN COURANT PRINCIPAL DE LIQUIDE. L'invention est relative à un dispositif de mélange hydraulique d'un coagulant dans un courant principal de liquide, à l'intérieur d'une 5 canalisation. On rappelle qu'un coagulant est un réacteur chimique qui est injecté et mélangé dans un liquide de viscosité peu élevée à haut nombre de Reynolds, tel que l'eau brute, afin que colloïdes et agrégats en suspension dans le liquide soient déstabilisés et forment des flocs. Plus le mélange est rapide, meilleure est la coagulation: en moins d'une seconde, la réaction chimique qui régit le principe de coagulation est terminée avant que le coagulant ne précipite. Un dispositif de mélange hydraulique de coagulant doit permettre à la fois la dispersion du coagulant à l'intérieur de la 15 canalisation, et le temps nécessaire à la réaction chimique. D'après US-A-6 422 735, on connaît un dispositif de mélange hydraulique de coagulant dans un courant principal de liquide, à l'intérieur d'une canalisation, qui comprend - une buse d'injection d'un jet auxiliaire de liquide sous 20 pression dans le courant principal, sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement dans la canalisation, - un moyen déflecteur placé dans la canalisation, contre lequel est dirigé le jet auxiliaire, le moyen déflecteur assurant une déviation transversale, essentiellement radiale, du jet auxiliaire, et - un moyen d'introduction du coagulant dans le jet auxiliaire de liquide sous pression. Un tel mélangeur par jet auxiliaire de liquide est bien adapté aux canalisations de diamètre élevé, notamment aux canalisations de diamètre supérieur à 2 m (deux mètres). L'injection du jet auxiliaire, généralement d'eau pressurisée, peut se faire à co-courant ou contre- courant de l'écoulement principal. Le jet auxiliaire de liquide peut être obtenu par pompage d'une fraction du liquide du courant principal, notamment de l'eau brute ou de l'eau filtrée en aval, afin de créer un courant d'eau rapide entraînant la dispersion du coagulant. 2871392 2 Le coagulant doit être injecté rapidement, près du courant d'eau pressurisée, dans la canalisation d'eau brute afin d'éviter les phénomènes de pré-coagulation. En particulier, les coagulants d'origine métallique réagissent très rapidement avec l'eau et peuvent, sous certaines conditions de pH, précipiter avant d'être dispersés. Les systèmes d'injection du coagulant risquent ainsi l'obturation par le coagulant qui précipite. D'autres risques d'obturation des systèmes d'injection de coagulant sont créés par les débris présents dans l'eau motrice, en particulier si cette eau n'est pas filtrée. L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif de mélange hydraulique du genre défini précédemment qui, tout en permettant d'assurer une bonne homogénéité de répartition du réactif coagulant, permet d'éviter ou de réduire la fréquence des bouchages ou obstructions diverses du moyen d'introduction du coagulant dans le jet auxiliaire de liquide sous pression. Il est souhaitable en outre que le dispositif de mélange hydraulique reste d'une construction simple et économique. Selon l'invention, un dispositif de mélange hydraulique de coagulant dans un courant principal de liquide, à l'intérieur d'une 20 canalisation, comprend - une buse d'injection d'un jet auxiliaire de liquide sous pression dans le courant principal, sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement dans la canalisation, - un moyen déflecteur placé dans la canalisation, contre lequel 25 est dirigé le jet auxiliaire, le moyen déflecteur assurant une déviation transversale, essentiellement radiale, du jet auxiliaire, - un moyen d'introduction du coagulant dans le jet auxiliaire de liquide sous pression, et est caractérisé en ce que le moyen d'introduction du coagulant est disposé à l'extérieur de la buse au voisinage de la sortie pour réaliser une injection du coagulant dans le jet auxiliaire suivant sensiblement la même direction d'ensemble que le jet auxiliaire, vers le moyen déflecteur. Avantageusement, le moyen d'introduction du coagulant est disposé autour de la sortie de la buse d'injection pour réaliser une injection annulaire du coagulant dans le jet auxiliaire de liquide sous pression. De préférence, la buse d'injection présente un orifice de sortie circulaire et le moyen d'introduction du coagulant présente un contour annulaire concentrique à la buse de sortie. La buse d'injection peut avoir une forme tronconique de révolution dont la petite base constitue l'orifice de sortie, et le moyen d'introduction comprend une enveloppe tronconique entourant la buse et déterminant une chambre annulaire. L'arrivée de coagulant liquide sous pression dans la chambre annulaire entourant la buse peut être assurée par une canalisation orientée radialement. Des cloisons sont avantageusement prévues entre la surface extérieure de la buse et l'enveloppe, notamment pour la fixation de cette dernière. Les cloisons peuvent être situées dans des plans radiaux passant par l'axe de la buse pour orienter l'injection de coagulant suivant la direction du jet auxiliaire. En variante, les cloisons peuvent être inclinées par rapport à l'axe selon un angle favorable à la mise en rotation du jet de coagulant et à la création de turbulences. De préférence, le moyen déflecteur présente une surface de révolution dont la méridienne est formée par deux arcs de courbe concaves tournant leur concavité vers la sortie de la buse et se rejoignant à une extrémité en une pointe située sur l'axe de la buse, les arcs, à leur autre extrémité, étant sensiblement tangents à un plan orthogonal audit axe. Avantageusement, la chambre annulaire d'injection du coagulant fait face aux arcs concaves du déflecteur. Une chicane peut être prévue dans la canalisation en aval du déflecteur. La chicane peut comprendre une paroi annulaire orthogonale à l'axe de la canalisation et faisant saillie depuis la paroi interne de la canalisation. La distance axiale (ê) entre la chicane et le déflecteur peut être d'environ 1.3 m. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins Fig.l est une coupe verticale schématique partielle illustrant 35 l'installation d'un dispositif de mélange hydraulique selon l'invention dans une canalisation enterrée. Fig.2 est une coupe verticale à plus grande échelle du dispositif de mélange hydraulique de Fig.l. Fig.3 est un schéma en coupe verticale, à plus petite échelle que Fig.2, illustrant l'évolution spatiale du coagulant après l'injection. Fig.4 est une vue en perspective de trois-quarts avant du dispositif de mélange. Fig.5 est une vue de dessus du dispositif de mélange. Fig.6 est une coupe verticale schématique, à petite échelle, d'une variante avec chicane, et Fig.7 est un schéma illustrant la dispersion de coagulant 10 derrière la chicane de Fig.6. En se reportant à Fig.l des dessins, on peut voir une canalisation enterrée C cylindrique de révolution, ayant un diamètre intérieur D élevé, c'est-à-dire supérieur à 2 m (deux mètres), d'axe géométrique X-X. Un courant principal de liquide, de l'eau brute dans l'exemple considéré, s'écoule dans la canalisation C suivant le sens des flèches F, de la gauche vers la droite de Fig.l. Un dispositif de mélange hydraulique 1 d'un coagulant 2 (Fig.3) dans le courant principal d'eau brute est placé suivant l'axe de la canalisation C. Pour la mise en place de ce dispositif 1, on prévoit un puits vertical 3, communiquant avec l'intérieur de la canalisation C et débouchant audessus de la surface du sol S. Un montant vertical 4 est fixé dans le puits 3. Ce montant 4 permet le maintien d'une canne (non visible) verticale pour l'alimentation en eau brute sous pression d'une buse 5 d'injection du dispositif 1. La buse 5 (Fig.2) a une forme tronconique de révolution convergente vers la sortie 6 délimitée par une paroi cylindrique. La buse 5 est située à l'extrémité de la branche horizontale 7 d'un coude 8 à angle droit dont l'autre extrémité est munie d'une collerette 9 pour raccordement étanche à la canne verticale (non visible) d'amenée d'eau brute sous pression. En position de travail, l'axe géométrique de la partie 7 et de la buse 5 est horizontal confondu avec l'axe X-X de la canalisation C, tandis que la collerette 9 est dans un plan horizontal au-dessus de la buse 5. Cette buse 5 permet d'injecter un jet auxiliaire de liquide sous pression, dans le courant principal, sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement F. Un déflecteur 10 est placé dans la canalisation. Le jet sortant 2871392 5 de la buse 5 est dirigé contre le déflecteur 10. Ce déflecteur présente une surface de révolution dont l'axe est confondu avec celui de la buse 5. La méridienne de cette surface de révolution est formée par deux arcs de courbe concaves 10a, 10b tournant leur concavité vers la buse et se rejoignant à une extrémité en une pointe 11 située sur l'axe de la buse 5 pratiquement à la sortie de la buse. Les arcs 10a, 10b, notamment formés par des quarts de cercle, à leur extrémité éloignée de la pointe 11 sont sensiblement tangents à un plan orthogonal à l'axe X-X. Le déflecteur 10 est fixé sur une plaque verticale 12 d'un support 13 maintenu, relativement à la buse 5, par un ensemble de tiges filetées 14 horizontales et d'écrous 15. Les tiges 14, à leur extrémité éloignée de la plaque 12, sont engagées et maintenues dans des trous d'une collerette 16 orthogonale à l'axe de la buse 5 et fixée autour de la partie cylindrique 7. Un moyen d'introduction 17 du coagulant, sous forme liquide ou en solution, est disposé à l'extérieur de la buse 5 au voisinage de la sortie pour réaliser une injection du coagulant dans le jet auxiliaire de liquide sous pression, suivant sensiblement la même direction d'ensemble que celle du jet auxiliaire, vers le moyen déflecteur 10. Le moyen d'introduction 17 est avantageusement disposé autour de la sortie 6 de la buse 5 pour réaliser une injection annulaire du coagulant. Le moyen d'introduction 17 présente un contour annulaire 18 (Fig.4) concentrique à la buse de sortie. Le moyen d'introduction 17 comprend une enveloppe tronconique 19 de révolution coaxiale et parallèle à la buse 5. La grande base de l'enveloppe 19 est fixée sur la collerette 16, la petite base de l'enveloppe 19 se trouve dans le plan de sortie de l'orifice 6. Du fait que la sortie 6 est délimitée par une paroi cylindrique, la dimension radiale de l'espace ou chambre annulaire 20 compris entre l'enveloppe 9 et la buse 5 diminue jusqu'à la sortie au niveau de la partie 6. Cette diminution de section provoque une augmentation de la vitesse de sortie du coagulant favorable à un mélange rapide. L'arrivée de coagulant liquide sous pression dans la chambre annulaire 20 tronconique est assurée par une canalisation 21 (Fig.4) orientée tangentiellement à la grande base de l'enveloppe 19. L'extrémité de la canalisation 21 éloignée de l'enveloppe 19 est munie d'une bride de raccordement 22. 2871392 6 Des cloisons 23 sont prévues entre la surface extérieure de la buse 5 et la surface intérieure de l'enveloppe 19. Les cloisons 23 sont réparties angulairement, à intervalles réguliers. Leur nombre peut être égal à huit. Les cloisons 23 débutent sensiblement à mi-longueur de l'espace annulaire 20, à distance de la collerette 16 et s'étendent jusqu'à l'extrémité de sortie de l'espace annulaire. Ces cloisons 23 ont une fonction mécanique de maintien, par exemple par soudure, de l'enveloppe 19 relativement à la buse 5, et un rôle hydraulique pour diriger le jet de sortie du coagulant. Chaque cloison 23 peut être située dans un plan radial passant par l'axe géométrique de la buse 5 de manière à orienter en sortie le jet de coagulant (qui est introduit tangentiellement par la canalisation 21) suivant une direction d'ensemble voisine de celle du courant principal. En variante, les cloisons 23 peuvent être inclinées, par exemple de 45 , par rapport à l'axe géométrique de la buse 5 pour provoquer en sortie une turbulence. La chambre annulaire 20 débouche face à la surface concave des arcs 10a, 10b du déflecteur. L'arrivée sous pression du coagulant liquide ou en solution est assurée par une canalisation G (Fig.l) raccordée à la canalisation 21. L'injection de coagulant et son mélange avec l'eau brute s'effectuent comme illustré sur Fig.3. Le jet auxiliaire d'eau brute sous pression est injecté par la buse 5 sensiblement parallèlement à la direction du courant principal dans la canalisation C. Sous l'effet du déflecteur 10, le jet auxiliaire s'épanouit radialement en une nappe 24 suivant toute la section de la canalisation C. Le coagulant, injecté autour du jet auxiliaire, s'épanouit suivant une couche 25 en amont de la nappe 24 et se mélange quasi instantanément avec l'eau brute du courant principal dans la canalisation C. Le mélange rapide du coagulant permet d'augmenter l'efficacité du traitement et de réduire les quantités de coagulant utilisées, donc de réduire les dépenses. La couche fine 25 de coagulant est entraînée par la nappe 24 35 d'eau brute. Le mélange du coagulant avec l'eau du courant principal est effectué pratiquement sans dilution préalable du coagulant. Le temps de mélange du coagulant avec l'eau brute du courant 2871392 7 principal est inférieur à 2 s (deux secondes) et peut être de l'ordre de 0.1 s. La vitesse du courant dans le jet auxiliaire délivré par la buse 5 est avantageusement de 20 m/s, mais des vitesses inférieures, notamment de l'ordre de 13 m/s restent acceptables tout en entraînant une efficacité plus réduite. Le dispositif d'injection selon l'invention permet de réduire la consommation de coagulant d'une valeur moyenne estimée à 10 %, ce qui entraîne une économie sensible en raison du volume important d'eau brute traitée dans les canalisations de diamètre élevé. Afin d'améliorer l'efficacité de dispersion du coagulant, notamment pour des vitesses inférieures à 20 m/s, par exemple de l'ordre de 13 m/s, on prévoit un système de cloisonnement 26 (Fig.6) composé d'une chicane 27 de type annulaire pour la canalisation C cylindrique. Dans le cas d'un canal ouvert à l'air libre, de section rectangulaire, la chicane 27 serait rectangulaire. La paroi de la chicane 27 est orthogonale à l'axe géométrique de la canalisation et est fixée contre la surface intérieure de cette canalisation. La chicane 27 détermine une ouverture de passage 28 concentrique de diamètre inférieur à celui de la canalisation principale. Le positionnement de la chicane 27, suivant l'axe principal de l'écoulement est de préférence situé au voisinage du point d'inflexion de la dispersion de coagulant. Dans un exemple étudié, avec une canalisation de diamètre intérieur égal à 3.2 m, la distance S entre le point d'injection de coagulant (sortie de la buse 5) et la chicane 27 est égale à 1.3 m. La dimension radiale de la chicane annulaire est de 50 cm de sorte que le diamètre intérieur de la canalisation est réduit à 2.2 m à l'endroit du rétrécissement 28 créé par la chicane. L'efficacité de dispersion pour une vitesse entraînante, à la 30 sortie de la buse 5, de 13 m/s passe de 90 % à une fourchette comprise entre 95 et 98 %. Sur Fig.6, les flèches en tirets 29 schématisent l'épanouissement du coagulant sous l'effet du déflecteur. Les flèches 30 convergentes vers l'axe schématisent l'effet amont de la chicane 27 sur les courants de fluide en amont. Les flèches 31 schématisent le courant de fluide en aval de la chicane. Sur Fig.7 les courants de fluide et de coagulant sont 2871392 8 schématisés. Il apparaît que la couche 25 de coagulant est largement dispersée radialement immédiatement en aval de la chicane 27, ce qui favorise la dispersion et le mélange de coagulant. Bien que les exemples décrits concernent des canalisations cylindriques à section circulaire, l'invention s'applique bien entendu à un canal d'écoulement situé à l'air libre, de section rectangulaire. Le dispositif d'injection serait placé suivant l'axe de ce canal. Dans les exemples considérés, le sens du jet auxiliaire de liquide sous pression débité par la buse 5 est le même que celui du courant principal, ce qui correspond à un fonctionnement du type cocourant. Une disposition inverse serait possible avec injection du jet auxiliaire en sens opposé, c'est-à-dire à contre-courant du débit principal suivant les flèches F. 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mélange hydraulique (1) d'un coagulant dans un courant principal de liquide, à l'intérieur d'une canalisation(C), comprenant une buse (5) d'injection d'un jet auxiliaire de liquide sous pression dans le courant principal, sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement dans la canalisation, - un moyen déflecteur (10) placé dans la canalisation, contre lequel est dirigé le jet auxiliaire, le moyen déflecteur assurant une déviation 10 transversale, essentiellement radiale, du jet auxiliaire, - un moyen d'introduction (17) du coagulant dans le jet auxiliaire de liquide sous pression, caractérisé en ce que le moyen d'introduction (17) du coagulant est disposé à l'extérieur de la buse (5) au voisinage de la sortie (6) pour réaliser une injection du coagulant dans le jet auxiliaire suivant sensiblement la même direction d'ensemble que le jet auxiliaire, vers le moyen déflecteur (10). 2. Dispositif d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'introduction (17) du coagulant est disposé autour de la sortie (6) de la buse d'injection pour réaliser une injection annulaire du coagulant dans le jet auxiliaire de liquide sous pression. 3. Dispositif d'injection selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la buse d'injection (5) présente un orifice de sortie circulaire, caractérisé en ce que le moyen d'introduction (17) du coagulant présente un contour annulaire (18) concentrique à la buse de sortie. 4. Dispositif d'injection selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la buse d'injection (5) a une forme tronconique de révolution dont la petite base constitue l'orifice de sortie (6), et que le moyen d'introduction (17) comprend une enveloppe tronconique (19) entourant la buse (5) et déterminant une chambre annulaire (20). 5. Dispositif d'injection selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'arrivée de coagulant liquide sous pression dans la chambre annulaire (20) entourant la buse (5) est assurée par une canalisation (21) orientée radialement. 6. Dispositif d'injection selon la revendication 5, caractérisé en ce que des cloisons (23) sont prévues entre la surface extérieure de la buse (5) et l'enveloppe (19). 7. Dispositif d'injection selon la revendication 6, caractérisé en ce que les cloisons (23) sont situées dans des plans radiaux passant par l'axe de la buse (5) pour orienter l'injection de coagulant. 8. Dispositif d'injection selon la revendication 6, caractérisé en ce que les cloisons sont inclinées par rapport à l'axe selon un angle favorable à la 10 mise en rotation du jet de coagulant et à la création de turbulences. 9. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le déflecteur (10) présente une surface de révolution dont la méridienne est formée par deux arcs de courbe concaves (10a, 10b) tournant leur concavité vers la sortie de la buse (5) et se rejoignant à une extrémité en une pointe (11) située sur l'axe (X-X) de la buse, les arcs (10a, 10b) , à leur autre extrémité, étant sensiblement tangents à un plan orthogonal audit axe (X-X). 10. Dispositif d'injection selon l'ensemble des revendications 4 et 9, caractérisé en ce que la chambre annulaire (20) d'injection du coagulant 20 fait face aux arcs concaves (10a, 10b) du déflecteur. 11. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une chicane (26) est prévue dans la canalisation en aval du déflecteur (10). 12. Dispositif d'injection selon la revendication 11, caractérisé en ce que la 25 chicane (26) comprend une paroi annulaire (27) orthogonale à l'axe de la canalisation et faisant saillie depuis la paroi interne de la canalisation. 13. Dispositif d'injection selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la distance axiale (S) entre la chicane et le déflecteur est d'environ 1.3 m.