Brevet FR2997635A1 — publié le 20140509

DISPOSITIF POUR L'INJECTION PUIS LE 1VIELANGE DE POLY1VIERE DANS UNE CANALISATION TRANSPORTANT UNE SUSPENSION DE PARTICULES SOLIDES ET PROCEDE METTANT EN OEUVRE LE DISPOSITIF L'invention concerne un dispositif permettant d'injecter en ligne, dans une canalisation transportant une suspension de particules solides, des polymères hydrosolubles et de les mélanger avec ladite suspension, le tout de manière optimisée. Le dispositif permet ainsi d'améliorer la floculation des suspensions de particules solides dans l'eau. L'invention a également pour objet un procédé mettant en oeuvre le dispositif La floculation en ligne dans une tuyauterie de transfert de suspensions de particules solides dans l'eau, et en particulier de boues ou d'effluents miniers, est connue depuis plus de 50 ans. Cependant, malgré les améliorations apportées, celles-ci ne permettent pas encore aujourd'hui une utilisation optimale du floculant. Par « suspensions de particules solides dans l'eau», on désigne notamment tous les types de boues, comme par exemple les boues urbaines, les boues issues de l'industrie papetière ou agroalimentaires, les boues de forage, les boues industrielles, ainsi que tous les effluents miniers, déchets de l'exploitation des mines, comme par exemple les mines de charbons, de métaux, ou les boues provenant du traitement des sables bitumineux. Ces suspensions comprennent généralement des particules organiques et/ou minérales comme des argiles, des sédiments, du sable, des oxydes métalliques etc, mélangés avec de l'eau. Les premières méthodes de floculation en ligne ont consisté à effectuer des injections de solutions diluées directement dans la tuyauterie transportant des suspensions de particules solides dans l'eau. Puis on a amélioré le système par des injections en plusieurs points, concentriquement, avant un mélangeur statique ou par recirculation des eaux. On peut citer les produits de la technologie ParetoTM de la société Nalco et TrumpjetTM de la société Wetend, surtout utilisés dans l'industrie du papier. Le problème est que le mélange puis la floculation demandent un certain temps de contact entre la suspension de particules solides dans l'eau et le floculant. En outre et surtout, ce contact se fait à fort cisaillement dans le tuyau de pompage travaillant habituellement à un débit de 1 à 3 mètres par seconde. On a essayé de résoudre ce problème en changeant et en optimisant le point d'injection mais, techniquement, il est impossible d'obtenir un résultat satisfaisant car les étapes de mélange et de floculation se font concomitamment. Les suspensions ne sont pas entièrement floculées et il subsiste du floculant résiduel libre et non utilisé. Cela oblige à surdoser les floculants pour obtenir une floculation totale à la fois de toutes les particules, et de tous les focs cassés par le cisaillement (refloculation). Par rapport aux essais de laboratoire, les consommations de floculants peuvent être de 30 % à 40 % supérieures suivant la vitesse du fluide. Une autre méthode consiste à introduire un mélangeur mécanique en ligne à une distance proche du point de sortie de manière à dégrader au minimum les focs formés. On a en effet remarqué que si le mélange entre la boue et le floculant est bien fait, alors la floculation elle-même devient rapide et homogène. On utilise pour ce faire des pompes, des cuves agitées, des agitateurs sur un coude de canalisation. Une amélioration importante a été obtenue avec la technologie décrite dans le brevet US 5,993,670. Cet appareil consiste en un agitateur monté dans la canalisation, perpendiculaire à celle- ci, pouvant tourner à des vitesses périphériques importantes et optimisées à l'aide d'un variateur de vitesse. Le floculant est injecté par l'arbre d'agitation perforé sur sa longueur. Il a permis de diminuer sensiblement la quantité de floculant consommé, en particulier sur des boues urbaines avant une centrifugeuse ou un filtre à bande ou le traitement des boues de dragage. Cependant, cet appareil possède deux défauts de conception qui font qu'il ne résout pas entièrement le problème posé : - L'injection par l'arbre moteur a un effet limité car le temps de mélange est très court, ce qui oblige à atteindre des vitesses très élevées pour obtenir le résultat optimum. Ces vitesses élevées peuvent être à l'origine d'un broyage de la boue augmentant sa surface spécifique et la rendant encore plus difficile à traiter. - Le débit de floculant ou coagulant variant, l'injection n'est pas homogène sur la longueur de l'arbre et il n'est pas possible de modifier le diamètre des perforations pour l'optimiser en cours de fonctionnement. Il est donc nécessaire de mettre au point, pour le traitement de suspensions de particules solides dans l'eau, un nouveau système pour améliorer l'efficacité du floculant ajouté en ligne. Le déposant a mis au point un dispositif permettant de résoudre cette problématique selon lequel les phases d'injection et de mélange assisté sont bien séparées. L'invention a ainsi pour objet un dispositif pour l'injection puis le mélange de polymère dans une canalisation transportant une suspension de particules solides. Le dispositif comprend : - un tronçon de canalisation débouchant à ses deux extrémités pour s'insérer sur la canalisation transportant la suspension à traiter, ledit tronçon de canalisation étant muni successivement, dans le sens du flux de la suspension : - d'au moins une bride recevant une tuyauterie d'injection de polymère, - d'un agitateur comprenant au moins une pale d'agitation positionnée perpendiculairement au flux et solidaire d'un arbre entrainé en rotation par un moyen d' entrainement. Selon l'invention, le moyen d'entrainement de l'arbre d'agitation, est avantageusement : - Soit un moteur directement monté sur l'arbre d'agitation ; - Soit un système de poulie courroie, et d'un moteur, en particulier pour les moteurs de forte puissance. Avantageusement, l'arbre moteur est muni d'une garniture mécanique simple ou double suivant le produit à traiter ou la pression de ligne. Selon une autre caractéristique, le moteur a une puissance adaptée. En outre, la vitesse de rotation de l'agitateur est avantageusement régulée par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse pour optimiser la floculation. Selon une autre caractéristique, l'agitateur présente deux ou quatre pales d'agitation. Leur forme est avantageusement oblongue, circulaire ou trapézoïdale et leur surface est de 0,2 à 0,9 fois, préférentiellement de 0,3 à 0,7 fois la section interne de la canalisation de transportant la suspension à traiter. Selon une autre caractéristique, le tronçon de canalisation comprend avantageusement deux ou trois brides, permettant d'optimiser la floculation grâce à l'injection des polymères à différentes distances de l'agitateur. Le positionnement de ces brides est 35 avantageusement le suivant : la première bride est positionnée, à partir de l'arbre de l'agitateur, à une distance équivalente à 2 fois le diamètre interne de la canalisation, la deuxième bride à une distance équivalente à 4 fois le diamètre interne de la canalisation et la troisième bride à une distance équivalente à 6 fois le diamètre interne de la canalisation. Dans la plupart des cas, l'efficacité n'augmente plus au-delà de cette distance. En pratique, le dispositif a un diamètre compris entre 50 et 1000 mm, avantageusement compris entre 100 et 500 mm. Par ailleurs et selon une autre caractéristique, le dispositif comprend avantageusement deux ou trois tuyauteries d'injection de polymère, c'est-à-dire autant que de bride. Chacune d'elle est de préférence composée de deux tubes concentriques avantageusement un tube externe perforé et un tube interne mobile et muni d'une fente longitudinale et pouvant occulter progressivement les trous du premier tube. Cela permet de doser le polymère et de créer la perte de charge nécessaire à une bonne répartition du floculant sur la longueur de la tuyauterie d'injection. Ce système permet des ajustements importants en fonction notamment du produit à traiter, de la concentration et de la viscosité de la suspension et de la vitesse du fluide. Il permet notamment de faire varier le point d'injection et la quantité de polymère injecté donnant ainsi une grande souplesse à l'opérateur, à la fois au moment des tests, mais aussi lors des opérations industrielles lorsque les compositions et la concentration de la boue varient. L'homme du métier saura adapter le dispositif pour profiter pleinement de l'optimisation des performances de traitement des suspensions. L'invention a également pour objet une canalisation transportant une suspension de particules solides au sein de laquelle est inséré le dispositif ci-avant décrit. La position du dispositif sur la conduite sera avantageusement beaucoup plus rapprochée de la sortie qu'avec une injection normale. Typiquement, le dispositif est inséré sur la canalisation à une distance équivalente à 5 à 50 fois le diamètre de ladite canalisation mesurée depuis le point de sortie de celle-ci. L'invention a également pour objet un procédé mettant oeuvre le dispositif précédemment décrit, en particulier un procédé de traitement en ligne consistant à injecter puis mélanger au moyen de ce dispositif, un polymère hydrosoluble dans une canalisation transportant une suspension de particules solides dans l'eau. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de floculation d'une suspension de particules solides transportée par une canalisation mettant en oeuvre le dispositif précédemment décrit et consistant à : - insérer le dispositif au sein de la canalisation - injecter au moins un polymère hydrosoluble dans la tuyauterie d'injection - décharger la suspension floculée. La suspension ainsi traitée est par exemple déchargée sur un appareil ou un système de déshydratation de la boue (filtre à bande, filtre presse, centrifugeuse), ou dans une lagune ou une surface plane dans laquelle l'eau se sépare très rapidement de la boue par floculation permettant à la boue de se déposer et/ou de sécher. Le procédé est particulièrement performant dans le traitement d'effluents miniers et dans des installations pour le traitement d'eau contenant des matières minérales en suspension (les carrières, le lavage de camions, les mines, l'industrie hydrométallurgique), ainsi que pour le traitement de boues urbaines et de boues de dragage. Selon une caractéristique du procédé, un ou plusieurs polymères hydrosolubles peuvent être injectés à un ou plusieurs points d'injection, et ce grâce aux brides et tuyauteries d'injection du dispositif Les polymères hydrosolubles sont des floculants. Ils sont préférentiellement utilisés sous forme de solution dans laquelle le ou les polymères sont dissous. Toutes les natures chimiques de floculants peuvent être utilisés : les floculants naturels comme les polysaccharides ou synthétiques. Les polymères hydrosolubles sont préférentiellement à base d'acrylamide. Parmi ces polymères, les copolymères préparés à partir des monomères suivants sont particulièrement intéressants : l'acide acrylique, l'ATBS (2-acrylamido-2- methylpropanesulfonic acide), le chlorure de diallyl diméthyl ammonium (DADMAC) l'acrylate de dialkylaminoéthyle (ADAME) et le méthacrylate de dialkylaminoéthyle (MADAME) ainsi que leurs sels acidifiés ou quaternisés, la N-vinyl pyrrolidone. Les polyoxydes d'éthylène, la polyéthylène amine peuvent également être utilisés dans ces polymères. L'exemple ci-après permet d'illustrer l'invention, mais n'a aucun caractère limitatif La figure 1 est une représentation schématique du dispositif de l'invention. Exemple Sur un tuyau de transport de boues provenant d'un dragage de boues argileuses issues de traitement de sable bitumeux, on insère à 10 mètres de la sortie de la canalisation le dispositif de l'invention comprenant les éléments suivants: Un tronçon de canalisation (1) de diamètre identique à la canalisation principale : 150 mm (6 pouces), Un moteur (2) de puissance 4 kW tournant à 1500 tours, et pouvant tourner par l'intermédiaire d'un variateur de 300 à 2200 tours/min, une garniture mécanique simple (3) en carbure de silicium, une pale d'agitation quadruple, semi-circulaire et de diamètre 120 mm (4), trois brides (5) positionnées à une distance équivalente à 2 fois, 4 fois, et 6 fois le diamètre interne de la canalisation, mesurée depuis l'arbre de l'agitateur, une tuyauterie d'injection (6) de diamètre intérieur 20 mm avec un tube fendu (7) sur toute la longueur de diamètre 19 mm qui permet d'homogénéiser sur la longueur le débit de solution de polymère. Le dispositif est positionné de sorte à ce que dans le sens du flux de la suspension, l'agitateur se trouve en aval des brides. Le polymère injecté est un copolymère d'acrylamide et d'acide acrylique de poids moléculaire de 15 millions de daltons et se trouve sous forme de solution. Cette installation testée comparativement à l'injection en un point dans la canalisation, a réduit la consommation en polymère hydrosoluble de 23 % avec une vitesse d'agitation modérée de 1700 tours/min.35 REVENDICATIONS1/ Dispositif pour l'injection puis le mélange de polymère dans une canalisation transportant une suspension de particules solides comprenant : un tronçon de canalisation débouchant à ses deux extrémités pour s'insérer sur la canalisation transportant la suspension à traiter, ledit tronçon de canalisation étant muni successivement, dans le sens du flux de la suspension : - d'au moins une bride recevant une tuyauterie d'injection de polymère, - d'un agitateur comprenant au moins une pale d'agitation positionnée perpendiculairement au flux et solidaire d'un arbre entrainé en rotation par un moyen d' entrainement. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d'entrainement de l'arbre est un moteur directement monté sur l'arbre d'agitation, dont la vitesse est régulée par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'agitateur est muni de deux ou de quatre pales d'agitation, de forme oblongue, circulaire ou trapézoïdale et de surface comprise entre 0,2 et 0,9 fois, préférentiellement entre 0,3 et 0,7 fois la section interne de la canalisation transportant la suspension à traiter. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce le tronçon de canalisation comprend deux ou trois brides 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisée en ce que le positionnement des brides est le suivant : la première bride est positionnée, à partir de l'arbre de l'agitateur, à une distance équivalente à 2 fois le diamètre interne de la canalisation, la deuxième bride à une distance équivalente à 4 fois le diamètre interne de la canalisation et dans le cas d'une troisième bride, celle-ci est positionnée à une distance équivalente à 6 fois le diamètre interne de la canalisation. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'installation comprend autant de tuyauteries d'injection que de brides, avantageusement deux ou trois. 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tuyauterie d'injection est composée d'un tube externe perforé et d'un tube interne mobile et muni d'une fente longitudinale.8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a un diamètre compris entre 50 et 1000 mm, avantageusement compris entre 100 et 500 mm. 9/ Canalisation transportant une suspension de particules solides au sein de laquelle est inséré le dispositif objet de l'une des revendications précédente. 10/ Canalisation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif est inséré à une distance équivalente à 5 à 50 fois le diamètre de la canalisation mesurée depuis le point de sortie de celle-ci. 11/ Procédé de floculation d'une suspension de particules solides transportée par une canalisation mettant en oeuvre le dispositif objet de l'une des revendications 1 à 8 et consistant à : insérer le dispositif au sein de la canalisation, injecter au moins un polymère hydrosoluble dans la tuyauterie d'injection, décharger la suspension alors floculée. 12/ Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la canalisation transporte des effluents miniers, de l'eau contenant des matières minérales en suspension (les carrières, le lavage de camions, les mines, l'industrie hydrométallurgique), des boues urbaines ou des boues de dragage. 13/ Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les polymères hydrosolubles sont des floculants et sont sous forme de solution dans laquelle le ou les polymères sont dissous. 14/ Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les polymères hydrosolubles sont à base d' acrylamide et choisis parmi les copolymères préparés à partir des monomères suivants : l'acide acrylique, l'ATBS (2-acrylamido-2- methylpropanesulfonic acide), le chlorure de diallyl diméthyl ammonium (DADMAC) l'acrylate de dialkylaminoéthyle (ADAME) et le méthacrylate de dialkylaminoéthyle (MADAME) ainsi que leurs sels acidifiés ou quaternisés, la N-vinyl pyrrolidone.