Brevet FR2989079A1 — publié le 20131011

L'invention concerne le domaine du traitement des eaux, qu'elles soient industrielles (eaux usées et eaux dites de « process »), ou municipales (eaux usées ou potables) et vise plus particulièrement un dispositif particulièrement compact de traitement des eaux. De manière classique, l'élimination de composés indésirable dans l'eau peut être réalisée en partie par des traitements physicochimiques des sels insolubles (précipitation) et/ou des particules en suspension (coagulation, floculation) ; on obtient, par exemple, un abattement de la dureté par précipitation des sels de calcium et/ou de magnésium lors d'un traitement d'adoucissement ou un abattement des matières en suspension et colloïdes en clarification. De tels traitements commencent habituellement par une étape de réaction dans une cuve de mélange dans laquelle sont ajoutés des réactifs de précipitation et/ou coagulation et/ou floculation ; un dispositif d'agitation est mis en place au sein de la cuve de mélange (agitateur, mélangeur statique...) pour permettre le mélange des réactifs et des produits de réaction (liquides et/ou solides) ; on obtient ainsi une réaction de cristallisation, précipitation, ou coagulation floculation selon le type de composés indésirables à éliminer. Une seconde étape dite de clarification est nécessaire pour séparer les produits de réaction (cristaux, flocs, ...) vis-à-vis de l'eau traitée ; cette seconde étape consiste généralement à faire décanter les particules formées dans une seconde cuve disposant, au contraire de la première, de zones de tranquillisation à faible intensité turbulente dont la présence est nécessaire à la décantation des particules. La séparation peut être obtenue du fait de la faible intensité turbulente présente dans la dite cuve ou, par exemple, au moyen d'un dispositif formé de plaques parallèles, appelé décanteur lamellaire. Il peut y avoir une recirculation des produits de réaction (boues ou cristaux) depuis la zone de décantation vers la zone de mélange. Lorsqu'il est envisagé d'effectuer les deux étapes dans une même cuve de grande taille, il y a toujours une tranquillisation de l'effluent contenant les flocs ou particules en suspension avant son passage dans le décanteur, qu'il soit lamellaire ou non. Bien que la notion de boues couvre habituellement une accumulation de flocs, cette notion sera utilisée ci-dessous pour désigner tous les types de produits de réaction (y compris des cristaux, dans le cas d'adoucissement). Diverses installations sont commentées, notamment, dans les documents EP - 1 330 414 EP -0423 964 ou FR-2 863 908 (correspondant à US - 7 648 638). On peut aussi se référer à l'article « Developments in precipitation engineering for the process intensification in the environmental protection and other purification industrial activities » de Plasari et al, paru dans Chemical Engineering Transactions, vol 11, 2007. On comprend que l'obligation de prévoir des chambres (ou du moins des zones) différentes pour le mélange (avec agitation) et pour la séparation (tranquillisation préalable, avec aussi peu de turbulences que possible) ou au moins de prévoir une zone de transition entre la zone de mélange et la zone de décantation (pour la tranquillisation) conduit à des volumes et encombrements importants. L'invention a pour objet une structure de dispositif de traitement d'eaux permettant une réduction du volume et du coût par rapport à un dispositif actuel de même fonction, à débit et qualité d'eau similaires. Elle propose à cet effet un dispositif de traitement d'eau comportant une cuve de mélange munie d'une voie d'arrivée d'un effluent à traiter, une éventuelle voie d'arrivée de réactifs, une source d'agitation capable d'induire une agitation turbulente dans un volume donné de cette cuve, une voie d'extraction permettant l'évacuation de produits de réaction, et une voie d'extraction d'un effluent traité, comportant en outre, au-dessus et adjacente au volume donné, mais en dessous de la voie de sortie d'un effluent traité, une couche de tranquillisation constituée d'une pluralité de canaux de passage allant de bas en haut et configurés en chicane d'une manière telle qu'aucune particule ne puisse traverser cette couche suivant une trajectoire rectiligne. La voie d'arrivée de réactifs est optionnelle en ce sens que la présence de réactifs n'est pas toujours nécessaire, la réaction pouvant se faire au contact des produits de réaction déjà présents dans la cuve ; par ailleurs, les réactifs, lorsqu'ils sont nécessaires peuvent avoir été injectés dans l'effluent avant son entrée dans le dispositif. Ainsi l'invention enseigne de combiner, de manière adjacente (et donc contraire à la pratique classique), une zone de mélange turbulente et une couche formée de canaux conformés en chicane. Il est apparu qu'une telle configuration de la couche de tranquillisation permet une diminution très significative de l'intensité turbulente, présentant de meilleures performances (à hauteur de cuve similaire): - comparées à un dispositif sans couche de tranquillisation, - comparées à un dispositif existant de décantation conventionnel (par exemple des lamelles de décanteur lamellaire de même volume que la couche de tranquillisation). Il est aussi apparu qu'une telle configuration permet de découpler le temps de séjour hydraulique et le temps de séjour des cristaux/boues formés, permet d'accroitre la croissance des cristaux/boues (ce qui ne se produit pas en coagulation /floculation classique) et donc d'obtenir une suspension solide de plus grosse granulométrie, qui - permet d'avoir une masse volumique plus importante qu'auparavant, - permet de produire des boues de très haute siccité sans traitement par filtre presse et/ou ajout de floculant, - présente une répartition granulométrique plus resserrée, ce qui est toujours bénéfique pour la réutilisation éventuelle des cristaux (gypse, calcaire). Par ailleurs dans le cas de l'adoucissement, la réaction peut se faire sans aucun coagulant/floculant contrairement aux procédés conventionnels. La proximité de la zone turbulente et de la couche de tranquillisation a pour effet que cette couche de tranquillisation agit à la manière d'une barrière hydrodynamique qui retient les produits de réaction ; en effet, il a été constaté que ces produits de réaction ne pénètrent, dans leur ensemble, dans la couche 2 9890 79 4 de tranquillisation que sur une faible hauteur, de l'ordre de quelques centimètres, ce qui tend à établir que la couche de tranquillisation induit des phénomènes différents de ceux provoqués par un ensemble de lamelles. Au-dessus de la couche de tranquillisation, on a constaté que la 5 masse d'eau était sensiblement débarrassée de tous les produits de réaction mis en suspension du fait de la réaction dans le volume de mélange, comme si une décantation avait été effectuée, et était pratiquement dépourvue de turbulences. 10 En fait l'utilisation d'un empilement de deux blocs lamellaires ayant des inclinaisons différentes au point, apparemment, d'éviter qu'une particule puisse traverser l'empilement suivant une trajectoire rectiligne a déjà été observé dans le document EP - 0 423 964, mais il s'agit d'un dispositif dont la fonction est d'assurer une décantation d'un liquide entrant en contenant déjà 15 des particules en suspension (il y a donc une nette dissociation entre la zone de mélange (si les particules en suspension résultent d'une réaction) et la décantation après tranquillisation préalable). Le liquide contenant des particules en suspension n'est pas soumis à une agitation telle que l'enseigne la présente invention. En outre, il est indiqué dans ce document que le bloc lamellaire 20 inférieur est situé dans un lit de boues tandis que les lamelles du bloc supérieur sont sensiblement plus proches les unes des autres que les lamelles du bloc inférieur, ce qui ne permet pas de définir des canaux conformés en chicane (d'autant que l'inclinaison des lamelles du bloc supérieur se fait dans un plan vertical perpendiculaire à celui par rapport auquel les lamelles du bloc inférieur 25 sont inclinées). La notion de passages, voire de canaux, conformés en chicane a déjà été proposée dans le domaine de la séparation de deux fluides, ainsi que cela ressort des documents FR - 2 395 061, US - 4 975 101, US - 5 972 062, WO - 01/39865, EP -0361 225, WO - 01/51868. Il est toutefois important de 30 noter que ces documents concernent le piégeage de gouttelettes d'eau dans un flux gazeux, la forme en chicane des canaux servant à augmenter la fréquence de collision des gouttelettes avec les parois des chicanes, et l'objectif étant de maximiser la surface spécifique (par unité de volume du séparateur) ; or une telle séparation est d'une nature très différente de celle qui est nécessaire pour la séparation des particules en suspension générées par les réactions de traitement d'eau puisque, notamment, les densités de matériaux à séparer dans le cas de flux gazeux chargés en gouttelettes sont dans un rapport de l'ordre de 1 :1000 alors que les densités des matériaux à séparer dans le cas d'une séparation eau/particules en suspension ne sont que dans un rapport de l'ordre de 1 à 10 (soit de l'ordre de 100 fois plus faible que dans le cas gaz/gouttelettes) ; en outre, la viscosité des gaz à débarrasser des gouttelettes qu'ils contiennent, de l'air en pratique, est de l'ordre de 10-5 Pa.s à peine, alors que la viscosité de l'eau est de l'ordre de 10-3 Pa.s (soit de l'ordre de 100 fois plus importante que dans le cas de l'air ; enfin, les gouttelettes dans les gaz correspondent en pratique à des taux de charge ne dépassant pas de l'ordre de 1% (masse d'eau par volume d'air) alors que les taux de charge dans les eaux contenant des produits de réaction peuvent fluctuer dans des plages très importantes, pouvant aller de 0.01% à 90%, en pratique de 0.01% à 50%. En ce qui concerne la vitesse de passage, il convient de noter également qu'elle est supérieure à 1 m/s dans le cas de la déshumidification, alors qu'elle est en pratique inférieure à 0.05 m/s (c'est-à-dire inférieure à 180m/h) dans le traitement d'eau (notamment dans le cadre de l'invention). On comprend que les phénomènes mis en oeuvre dans la déshumidification de flux gazeux et dans la séparation des produits de réaction d'un traitement d'eaux sont foncièrement différents et que les solutions adoptées dans l'un de ces domaines n'ont aucune raison d'avoir un intérêt dans l'autre domaine. La notion de passage conformé en chicane peut recouvrir une grande variété de configurations ; ainsi il peut s'agir d'ondulations dans un plan donné, en pratique vertical lorsque la couche de tranquillisation est en place dans un dispositif selon l'invention, ce qui correspond à une géométrie particulièrement simple. Il peut aussi s'agir de chicanes en spirale, ce qui correspond à des ondulations dans les trois dimensions de l'espace. En outre, quelle que soit la configuration (en deux dimensions ou en trois dimensions) des chicanes, les canaux peuvent avoir une section sensiblement constante, ou au contraire avoir des fluctuations de section, soit dans un sens unique (augmentation de bas en haut, voire l'inverse), soit avec des augmentations et des diminutions. Pour des raisons de facilité de construction, les canaux en chicane sont avantageusement délimités par des parois planes, ce qui optimise l'utilisation du volume de la couche de tranquillisation (chaque paroi délimite deux canaux). En d'autres termes, les canaux sont avantageusement formés d'une succession de segments rectilignes. Ces parois planes sont en pratique lisses. Les canaux comportent avantageusement au moins deux segments inclinés par rapport à l'horizontale, contigus ou éventuellement séparés par un segment vertical. En pratique, les dimensions transversales des canaux sont inférieures à 20 cm, par exemple de l'ordre de 5 à 10 cm. Il est à noter que le principe de canaux à section variables était en soi déjà connu, par exemple d'après plusieurs des documents cités ci-dessus à propos de la déshumidification de flux gazeux. La zone de mélange peut comporter des éléments mécaniques contribuant à guider la circulation de l'effluent et des réactifs en son sein ; il s'agit avantageusement d'un tube central guidant le flux dans un sens descendant, et provoquant une dispersion du flux en partie basse ; il peut s'agir d'un guide-flux conforme à l'enseignement du document FR-2 863 908 (ou US - 7 648 638) déjà cité. La turbulence dans la zone supérieure est avantageusement inférieure dans un rapport d'au moins 10 à la turbulence de l'effluent chargé en produits de réaction situé immédiatement en dessous de la couche de tranquillisation. Ainsi, selon des caractéristiques préférées de l'invention, éventuellement combinées : * les canaux sont configurés en chicane parallèlement à un même plan, ce qui correspond à une configuration simple à fabriquer, donc de coût modéré ; en variante, les canaux sont configurés en chicane suivant plusieurs directions transversales, ce qui contribue à une meilleure tranquillisation ; dans un tel cas, les canaux sont avantageusement configurés en hélice, * les canaux ont une section constante depuis la face inférieure de la structure jusqu'à sa face supérieure, ce qui correspond à une grande simplicité de fabrication ; toutefois, en variante, les canaux ont une section qui varie sur au moins une partie de la hauteur de la structure de tranquillisation, ce qui contribue à améliorer l'effet de tranquillisation du fait de la variation de vitesse locale ainsi induite, * les canaux ont une inclinaison comprise entre 35° et 85° par rapport à l'horizontale, ce qui est apparu conduire à des structures de tranquillisation raisonnables à l'échelle industrielle. De manière avantageuse, pour des raisons de faisabilité notamment, la structure de tranquillisation est formée de couches superposées au sein desquelles les canaux sont formés de tronçons rectilignes. Dans ce cas, la structure de tranquillisation comporte avantageusement au moins deux couches au sein desquelles les tronçons de canaux sont inclinés par rapport à l'horizontale, dans des directions différentes. Ces deux couches comportant des tronçons inclinés par rapport à l'horizontale peuvent être séparées par une couche dans laquelle les tronçons sont verticaux. De manière également avantageuse pour des raisons de fabrication, les tronçons inclinés ont une même inclinaison par rapport à l'horizontale dans au moins deux couches (dans un même plan (en sens inverses), ou non). De manière préférée, les canaux ont une section variable au sein d'au moins l'une des couches superposées. Que les canaux aient une section constante, ou non, il est avantageux que les canaux soient formés par des parois planes. De manière préférée, le dispositif comporte avantageusement un guide-flux autour de la source d'agitation. La structure de tranquillisation est alors avantageusement située à une distance du fond comprise entre 50% et 100% de la somme (2H+D) si H est la hauteur du guide-flux et D est le diamètre hydraulique. Le diamètre hydraulique est par définition égal à 4 x surface mouillée / périmètre mouillé. Le réacteur peut être à base carrée ou circulaire. Pour un réacteur à base cylindrique, le diamètre hydraulique est le diamètre et pour un réacteur à base carrée, c'est la longueur d'un côté. De manière avantageuse, avec ou sans guide-flux, la structure de tranquillisation est située au-dessus du fond de la cuve entre 0.25 et 3 fois (et de préférence entre 0.5 et 1.5 fois) le diamètre hydraulique de la cuve, ce qui revient à dire que le volume de mélange, sous la couche de tranquillisation, a une hauteur qui est du même ordre de grandeur que sa largeur (en pratique le diamètre hydraulique) ce qui contribue à établir le régime de fortes turbulences jusqu'à proximité immédiate de la structure de tranquillisation. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard 15 des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma de principe d'un élément d'installation conforme à l'invention, la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective d'une première configuration possible pour une couche de 20 tranquillisation d'un élément d'installation conforme à l'invention, la figure 3 est une vue schématique d'une variante de la configuration de la figure 2, la figure 4 est une vue schématique en perspective d'une 25 seconde configuration possible pour une couche de tranquillisation d'un élément d'installation conforme à l'invention, la figure 5 est une vue schématique en perspective d'une troisième configuration possible pour une couche de 30 tranquillisation d'un élément d'installation conforme à l'invention, la figure 6 est une vue partielle de la figure 5, la figure 7 est un schéma visualisant divers paramètres caractérisant la configuration de la figure 2, la figure 8 est un schéma visualisant divers paramètres caractérisant la configuration de la figure 6, et la figure 9 est un schéma de principe d'une forme préférée de réalisation de l'élément d'installation de la figure 1. La figure 1 représente à titre d'exemple un élément d'installation de traitement d'eau (appelé, en abrégé, réacteur ci-dessous) désigné par la 10 référence 10 dans son ensemble, comportant une cuve de mélange 11 munie de : une voie 12 d'arrivée d'un effluent à traiter, une éventuelle voie 13 d'arrivée de réactifs, une source d'agitation 14 capable d'induire une agitation 15 turbulente dans un volume donné de cette cuve, une voie d'extraction 15 permettant l'évacuation de boues séparées au sein de cet élément d"installation, une voie 16 d'extraction d'un effluent traité. Les voies d'arrivée 12 et 13 sont ici dissociées et peuvent être 20 situées à n'importe quel endroit de la cuve (sous réserve de pouvoir mettre en place une zone de tranquillisation - voir ci-dessous) ; en variante, l'injection des réactifs peut se faire en amont, par exemple dans la canalisation amenant l'effluent à traiter. Il peut en outre ne pas être nécessaire d'introduire de réactifs particuliers (cas de l'adoucissement par désursaturation spontanée de solution 25 saturée, notamment ; dans un tel cas, les produit de réaction (cristaux) formés à un instant donné peuvent servir de réactifs pour la suite). La source d'agitation est ici schématisée par un agitateur central à une seule pale ; en variante, il peut s'agir d'une pluralité d'agitateurs, mécaniques ou non ; lorsqu'il s'agit d'agitateurs mécaniques, ils peuvent avoir 30 une seule pale ou une pluralité de pales. En fonction du débit d'arrivée de l'effluent et des éventuels réactifs, la source d'agitation peut être constituée par ce débit d'arrivée lui-même, s'il est déjà très turbulent. 2 9890 79 La voie d'extraction 15 est en partie basse. Plus précisément, en fonction de la configuration du fond de la cuve et en tenant compte de ce que malgré l'agitation il peut y avoir des « boues » qui s'agglutinent au fond du réacteur, celles-ci peuvent être recueillies par un système de raclage, par 5 exemple un pont tournant (non représenté), avant d'être évacuées en partie basse de la cuve à l'aide, par exemple, d'une pompe ou d'une vis sans fin. La voie 16 d'extraction de l'effluent traité est en partie supérieure, par exemple par des goulottes à créneaux ou des goulottes ou tubes percés. 10 Au dessus et adjacente au volume agité par la source d'agitation mais en dessous de la voie 16 d'extraction de l'effluent traité, est située une structure (ou couche) de tranquillisation 17, servant à tranquilliser des régimes hydrauliques (barrière physique contre les turbulences générées par le mélange) grâce à quoi on peut coupler en une seule cuve : - une étape de réaction agitée dans laquelle sont ajoutés d'éventuels réactifs de précipitation et/ou coagulation et/ou floculation - une clarification dans le but de séparer les boues (produits de réaction tels que cristaux, flocs, ...) de l'eau traitée. La structure de tranquillisation est située entre les voies d'arrivées 12 et 13 (lorsque cette dernière existe) et la voie d'extraction de boues 15, d'une part, et la voie d'extraction de l'effluent traité 16, d'autre part. La couche de tranquillisation est donc recouverte d'une couche d'eau d'où part cette voie d'extraction 16. Ainsi que cela sera détaillé ci-dessous, cette structure 17 de tranquillisation est constituée d'une pluralité de canaux de passage allant de bas en haut et configurés en chicane d'une manière telle qu'aucune particule ne puisse traverser cette couche suivant une trajectoire rectiligne. Cette couche de tranquillisation présente une surface totale projetée (parfois notée STP en abrégé) importante par m3 de matériau au sein de cette couche. Les conditions hydrodynamiques générées par une telle structure composée de canaux en chicane provoquant un écoulement non linéaire (à la différence d'un décanteur lamellaire traditionnel) permettent de réduire de façon significative la propagation de l'intensité turbulente dans le matériau, et a fortiori dans la couche d'eau supérieure. Pour tenir compte de ce que, du fait de la configuration en chicane, certains canaux peuvent ne pas déboucher en périphérie (en bas ou en haut), cette notion de surface totale projetée désigne ici la surface projetée fonctionnelle ou effective (donc sans tenir compte des canaux borgnes). Il est à noter que la relation de cause à effet entre la géométrie des canaux définie par ladite invention et les résultats/efficacités mesurés n'a pu être clairement identifiée (expérimentalement et par simulation numérique - modélisations). La figure 2 représente schématiquement une première configuration préférée des canaux d'une couche ou structure de tranquillisation selon l'invention. On observe que cette couche est formée de trois zones superposées notées 17A, 17B, 17C, formées chacune de plaques parallèles 18A, 18B, 18C (dites plaques principales), inclinées par rapport à la direction verticale, entre lesquelles sont disposées des bandes verticales dont seules sont visibles celles de la couche supérieure 17C sous les références 19C1, 19C2, etc (la trace de quelques bandes situées derrière les premières plaques de chaque zone est en outre représentée en tirets). Il y a ici trois zones superposées, mais ce nombre peut varier selon les besoins et selon la place disponible ; c'est ainsi qu'il peut n'y avoir que deux zones superposées, ou il peut y avoir un nombre de zones égal ou supérieur à 3. Les plaques et bandes définissent des canaux formés de tronçons ici rectilignes au sein de chacune des zones superposées. En effet, chaque plaque ou bande d'une zone se raccorde à une plaque ou bande de la zone qui est située au-dessus ou en dessous de la zone considérée. Les inclinaisons alternent ici de sens d'une zone à la suivante, par référence à un même plan parallèle aux arêtes, c'est-à-dire que, dans l'exemple considéré, les plaques de la zone inférieure 17A sont inclinées vers le haut et vers la droite, les plaques de la zone intermédiaire 17B sont inclinées vers le haut et vers la gauche et les plaques de la zone supérieure 17C sont à nouveau inclinées vers le haut et vers la droite. Cette notion de droite et de gauche est ici utilisée en référence à un plan fictif parallèle aux arêtes de jonction entre les zones de plaques. De manière préférée, les inclinaisons ont la même valeur au signe près. Bien entendu, en variante, les inclinaisons peuvent alterner avec des valeurs différentes d'une zone à l'autre. Les bandes disposées entre les plaques 18A, 18B, 18C sont ici non seulement verticales (donc parallèles), mais sont en outre réparties en lots de bandes coplanaires, ce qui est ici le cas des bandes 19C1, 19C2, 19C3. Ces bandes peuvent faire partie de plaques de plus grande dimension assemblées avec les plaques 18A, 18B, 18C... Ces bandes peuvent en variante être décalées d'un canal à l'autre, selon par exemple une configuration en quinconce. Ces bandes étant parallèles au sein d'une zone, elles définissent avec les plaques parallèles 18A, 18B, 18C des canaux de section constante de bas en haut. Cette section en coupe transversale (perpendiculaire aux bandes et aux plaques) a ainsi quatre côtés, qui peuvent être égaux ou non. Il est à noter que les bandes sont parallèles les unes aux autres dans l'ensemble des zones, de sorte que les inclinaisons globales des divers canaux au sein de la couche peuvent être définies en référence à un plan (dans un plan auquel les bandes verticales sont parallèles). Lorsque les bandes parallèles sont perpendiculaires aux plaques principales, les canaux ont une section rectangulaire voire carrée. Toutefois, en 25 variante, ces canaux peuvent avoir une section en losange. En variante, les canaux ont une section polygonale à plus de quatre côtés, par exemple hexagonale, auquel cas les plaques principales ont un profil non pas plan mais ondulé. Les divers canaux ont avantageusement des sections identiques au 30 sein de chaque zone. On peut toutefois, en variante, prévoir des variations de section en fonction de la position des divers canaux au sein de la future installation, par exemple selon que les canaux sont situés en une région centrale ou périphérique de l'élément d'installation. Ainsi que cela exposé ci-dessous, les canaux peuvent aussi avoir des sections variables entre le haut et le bas de chaque zone. Les canaux peuvent être formés par l'assemblage de plaques et de bandes planes ou ondulées (par exemple sinusoïdales), mais peuvent aussi être formés par extrusion, auquel cas chacune des couches 17A, 17B ou 17C peut être formée de l'assemblage de blocs de canaux obtenus par extrusion. Selon une alternative, les zones peuvent aussi être formées par l'assemblage de tubes (à raison d'un tube par canal) de section quelconque, par exemple des tubes cylindriques assemblés en quinconce. En effet, la notion de plaque et de bandes utilisée ci-dessus n'est ici utilisée que pour expliquer la structure des zones 17A, 17B ou 17C, sans que cela implique que la fabrication de ces zones soit réalisée à partir de telles 15 plaques ou bandes. La figure 3 représente une variante de réalisation de la configuration de la figure 2 dans laquelle les éléments similaires à ceux de cette figure 2 sont désignés par des signes de référence se déduisant de ceux de cette figure par addition de l'indice « prime ». Cette variante a la particularité que, entre les 20 zones à plaques inclinéesl7B' et 17C', une zone intermédiaire 17D' est prévue qui est formée de plaques et bandes verticales. La figure 4 représente une autre configuration de couche de tranquillisation. 25 Comme la configuration de la figure 2, cette seconde configuration comporte plusieurs zones superposées, notées 27A, 27B et 27C (en effet, dans l'exemple ici représenté, il y a trois zones) comportant chacune une pluralité de plaques parallèles, dites plaques principales, notées 28A, 28B ou 28C selon la zone considérée. Comme dans l'exemple de la figure 2, l'inclinaison des 30 plaques change de sens d'une zone à l'autre (par rapport à un plan passant par les arêtes de jonction entre les plaques des diverses zones ; les commentaires faits ci-dessus à propos des plaques 18A, 18B ou 18C s'appliquent ici. Comme dans la configuration de la figure 2, la structure de cette figure 4 comporte des bandes (parallèles au sein de chaque zone) situées entre des plaques adjacentes, dont trois sont désignées sous les références 29C1, 29C2 et 29C3. Les commentaires formulés ci-dessus à propos des bandes 19C1, 19C2, 19C3, ... de la figure 2 s'appliquent également ici, notamment à propos du fait qu'elles sont avantageusement réparties en lots de bandes coplanaires. Comme précédemment les plaques ou bandes d'une zone se raccordent à une plaque ou bande d'une zone adjacente. Toutefois, ainsi que cela ressort de l'observation de la trace, en tirets, des bandes sur les premières plaques de chaque zone, ces bandes sont elles mêmes inclinées par rapport à un plan vertical ; ainsi les bandes de la zone 27A sont inclinées d'un angle I3A vis-à-vis d'un plan vertical transversal aux plaques 28A, tandis que les bandes de la zone 27B sont inclinées d'un angle r3B vis-à-vis d'un plan vertical transversal aux plaques 28B et que les bandes de la zone 27C sont inclinées d'un angle f3C vis-à-vis d'un plan vertical transversal aux plaques 28C. Le sens de l'inclinaison peut être quelconque, puisque l'inclinaison dans la zone 27A est orientée vers le haut et vers la gauche, celle dans la zone 27B est orientée vers le haut et vers la droite et celle dans la zone 27C est également orientée vers le haut et vers la droite. Il est toutefois préférable que l'inclinaison change de sens entre une zone et une autre zone adjacente. La valeur d'inclinaison peut rester, ou non, la même lors d'un changement de sens d'inclinaison. Ainsi, les inclinaisons globales des canaux ainsi formés, par la combinaison des plaques et bandes précitées, sont, à la différence du cas de la figure 2 (où les bandes sont verticales et parallèles d'une zone à l'autre), à définir dans un système à trois axes. Une autre configuration de structure à inclinaisons dans plusieurs plans est représentée à la figure 5. Par souci de simplicité, cette figure ne représente qu'un module de la structure complète, à savoir un module formé de six canaux au sein d'un empilement de quatre sous-modules 37A, 37B, 37C et 37D (en pratique, ces modules sont reproduits au sein de chaque zone, tous les sous-modules similaires au sous-module 37A formant une première zone, assimilable à la zone 17 de la figure 2, tous les sous-modules similaires au sous-module 37B formant une seconde zone et ainsi de suite, les parois extérieures des sous-modules étant parallèles d'un sous-module à un autre au sein de chaque zone. Si l'on se réfère aux référentiels apparaissant dans chaque plan extrême de chaque couche, on voit que le sous-module 37A présente une inclinaison y1 par rapport à l'axe z vertical dans le plan (y,z) ; le sous-module 37B présente une inclinaison 2 par rapport à l'axe z dans le plan (x,z) ; le sous- module 37C présente une inclinaison 3 par rapport à l'axe z dans le plan (y,z) et le sous-module 37D présente une inclinaison 4 par rapport à l'axe z dans le plan (x,z). Comme dans l'exemple de la figure 4, les inclinaisons se définissent donc en trois dimensions. On comprend que, puisque les inclinaisons dans le plan (y,z) des sous-modules 37A et 37C sont de sens inverse, de même que les inclinaisons dans le plan (x,z) des sous-modules 37B et 37D, on obtient une forme globale en hélice. On peut observer à la partie haute de la figure 5 que les sections par 20 lesquelles débouchent les canaux ne sont pas toutes égales ; ainsi on distingue des canaux qui débouchent dans le plan supérieur de la structure par des ouvertures rectangulaires désignées par la référence 39A et des canaux qui débouchent dans ce plan par des ouvertures plus petites (ici d'un rapport environ égal à 2; ces sections sont au moins approximativement carrées) 25 désignées par la référence 39B. Ces canaux peuvent avoir une telle section 39A ou 39B sur toute leur hauteur au travers des diverses zones. Toutefois, de manière avantageuse, ces canaux ont des variations de section, étant délimitées par des parois inclinées par rapport aux parois des 30 sous-modules respectifs. Ainsi on observe sur la figure 6 qui représente un extrait du module de la figure 5 que les ouvertures situées en haut le plus à droite du sous-module 37B, à savoir les ouvertures désignées sous les 2 9890 79 16 références 39A' et 39B' sont délimitées par la paroi droite du sous-module 37B, les parois avant et arrière de ce sous-module, une paroi intermédiaire 40 parallèle à ladite paroi droite et par une paroi inclinée 41, inclinée par rapport auxdites parois avant et arrière. Ainsi, la structure est caractérisée non 5 seulement par les inclinaisons des divers sous-modules (commentée ci-dessus), mais aussi par l'inclinaison des parois internes qui provoque une variation de section des canaux. Ce qui vient d'être décrit pour le sous-module 37B (la paroi interne 41 présentant une inclinaison différente de celle des parois avant et arrière vis- 10 à-vis de l'axe z dans le plan (x,z)) vaut également pour le sous-module inférieur 37A (la paroi interne 51 qui se raccorde en partie supérieure au bas de la paroi 41 présentant également une inclinaison dans ce plan (x,z) en complément de l'inclinaison de sa ligne médiane dans le plan (y,z). Il va de soi que les structures des figures 2 à 4 peuvent elles aussi 15 être réalisées sous la forme de sous-modules analogues à ceux de la figure 5 ou 6, avec des canaux de section constante ou non. Le schéma de la figure 7 visualise les diverses notions suivantes dans le cas de la figure 2, à savoir, dans l'analyse d'une structure à n étages (ou zones) : - angle d'inclinaison de l'étage n (°deg) - : diamètre hydraulique des canaux de l'étage n hn : hauteur de l'étage n n : nombre d'étages On choisit de respecter la relation : - , a'5. hit avec 35° 5_ a' 5_ 85° , tan a Le respect d'une telle relation permet de réduire de manière significative la propagation de l'intensité turbulente dans la structure constituant la couche de tranquillisation, de sorte qu'aucune particule ne peut passer de façon rectiligne au travers de cette structure (donc sans heurter au moins une fois une paroi du canal dans lequel cette particule se trouve). La figure 8 visualise, de manière similaire, les grandeurs définissant une structure telle que celle de la figure 5 (puisqu'il y a des inclinaisons dans des plans différents, cette figure 8 comporte deux parties, décrivant les inclinaisons dans les deux plans verticaux dans lesquelles ces inclinaisons sont maximales, de préférence perpendiculaires l'un à l'autre) : ani : angle d'inclinaison du niveau i de l'étage n (°deg) anr : le diamètre hydraulique des canaux du niveau i de l'étage n 12: hauteur du niveau i de l'étage n n: nombre de sections/étages : nombre de niveau par étages On choisit de respecter la relation : v ,ant 5_ tan d avec 35° _5_ cee' 5_ 85° i=i 1=1 Il faut noter que le choix de la plage 35°-85° correspond à une plage d'inclinaisons permettant de satisfaire la condition sans nécessiter de hauteur trop importante par rapport aux dimensions des cuves de mélange existantes ; il s'agit donc d'une plage préférée dont on peut bien entendu sortir, en fonction des besoins ou du volume disponible. La figure 9 représente une version perfectionnée du dispositif de la figure 1. Les éléments similaires à ceux de la figure 1 sont désignés par des signes de référence découlant de ceux de cette figure 1 par addition du nombre 50. Elle se distingue du dispositif de la figure 1 par la présence d'un 25 guide-flux 68, de préférence situé en une zone centrale de la zone de mélange 61, autour de la source d'agitation 64, ici autour de la pale 69 (ou des pales) de d'un agitateur constituant la source d'agitation. Ce réacteur de mélange est ainsi muni d'une structure de tranquillisation des intensités turbulentes (placé dans sa zone supérieure) ainsi 30 que d'un agitateur et d'un guide flux permettant un mélange homogène des particules en suspension ainsi qu'une dispersion rapide des fluides entrant au sein de la cuve tout en réduisant les forces de cisaillement (faibles vitesses d'agitation). La cuve de mélange est définie notamment par son diamètre hydraulique D, tel que présenté dans la figure 9 (la définition générale d'un tel diamètre hydraulique est rappelée ci-dessus). Le guide flux, d'une hauteur H, est avantageusement positionné à 0,25D du fond du réacteur (par exemple entre 0.1D et 0.5D). Cette position et cette hauteur peuvent être variables en fonction des besoins. La structure de tranquillisation est avantageusement positionnée en sorte que sa partie basse est à une hauteur supérieure à (0.25D + H) du point bas du réacteur (de préférence comprise entre [0.5 x (2H+D)] et [(2H+D)]). Compte tenu de ce que la hauteur du guide-flux est typiquement de l'ordre de grandeur du diamètre hydraulique (entre 0.5 et 2 fois ce diamètre), la couche de tranquillisation est avantageusement située au-dessus à une hauteur comprise entre 0.25 et 3 fois ce diamètre hydraulique (de préférence entre 0.5 et 1.5 fois ce diamètre). L'épaisseur de cette couche de tranquillisation est typiquement de l'ordre de 0.5 à 1 fois le diamètre hydraulique, par exemple de 0.5 à 0.7 fois ce 20 diamètre. La structure de la couche de tranquillisation peut avoir l'une quelconque des configurations décrites ci-dessus. Quelques commentaires peuvent être faits à propos de la 25 constitution des réacteurs des figures 1 ou 9, avec l'une quelconque des configurations. De premiers tests expérimentaux ont été réalisés avec des matériaux disposant d'une largeur de canaux comprise entre 2 et 4 cm. Industriellement, en reprenant les cotes standards de matériau lamellaire utilisés en traitements 30 des eaux, les largeurs de canaux devraient pouvoir excéder les 5-10 cm, mais on peut aussi utiliser des matériaux de largeurs inférieures tant que cette largeur respecte les règles de dimensionnement cités ci-dessus (évitant la traversée de particules suivant une trajectoire rectiligne. L'association de deux zones à canaux obliques contigües peut se faire directement (figure 2) ou par l'intermédiaire d'une zone à parois droites verticales (de longueur plus ou moins longue) permettant leur liaison (voir la figure 3) et/ou par l'intermédiaire d'une zone présentant une courbure évitant la rupture d'angle. La hauteur globale de la structure de tranquillisation peut varier en fonction de l'efficacité de tranquillisation des turbulences qui est recherchée (directement en fonction avec la fraction de particules retenues). La nature du matériau constitutif de la structure de tranquillisation ne semble pas avoir d'influence significative sur l'efficacité de l'invention. Son choix peut donc être choisi sur des critères de faisabilité (fabrication) et économique. Les matériaux envisageables sont principalement : matériaux plastique thermo-formables (PE, PVC, PVDF,...) et matériau métallique (fabrication par assemblage) (acier, Inox, Aluminium, ...). La rugosité et l'aspect de surface du matériau de fabrication a un impact sur l'efficacité de l'invention. Un matériau présentant des surfaces lisses sans aspérité présente en pratique une meilleure efficacité, puisque la rugosité et les aspérités sont génératrices de turbulences dans les écoulements canalisés. Les canaux ont été supposés ci-dessus avoir une section de faible facteur de forme (rapport longueur/largeur, transversalement à leur dimension maximale selon laquelle l'effluent circule), variant sur les dessins entre 1 et 2 environ ; en pratique, la distance entre parois inclinées semble être plus importante que la dimension transversale. L'objectif est de fonctionner notamment entre 0.01% massique de Matière En Suspension (MES) et 90% massique de MES dans la cuve. Une première simulation numérique a consisté à modéliser la configuration expérimentale décrite ci-dessus (équipée d'une structure de tranquillisation conforme à la figure 2 - dite géométrie 1). Le calcul effectué concerne l'hydrodynamique seule sans prise en compte de la phase solide. On a observé l'évolution d'une grandeur caractéristique de la turbulence en amont et en aval de la zone de séparation : l'intensité turbulente. On définit l'intensité turbulente en un point du fluide comme le rapport des fluctuations de la vitesse du fluide en ce point (autour de sa moyenne temporelle) et cette vitesse moyenne. Les résultats obtenus sont les suivants : Intensité turbulente (%) En amont de la zone En aval de la zone de de tranquillisation tranquillisation 21,5 0,9 Géométrie 1 En amont de la zone de séparation (sous la couche de tranquillisation), la valeur élevée de l'intensité turbulente est due au système de mélange dans la zone réactive. En aval de la zone, la valeur proche de 1% est caractéristique d'un fluide faiblement turbulent. La zone de tranquillisation selon la « Géométrie 1 » constitue donc bien une barrière pour la turbulence. En un second temps, des simulations ont été effectuées, visant à comparer diverses configurations de la structure de tranquillisation. Il a été choisi de prendre pour la couche de tranquillisation une hauteur qui est dans un rapport 1 avec la dimension transversale moyenne de la cuve de mélange, avec des vitesses au miroir égales et des canaux de 50 mm présentant un écartement de 50 mm. Le tableau suivant reporte la surface totale projetée effective et la vitesse moyenne réelle dans quatre cas de configurations : une géométrie conventionnelle avec bloc de tranquillisation constituée de lamelles parallèles et sans changement de direction sur toute la hauteur, une première configuration dite « géométrie 1 » (voir ci-dessus), une configuration dite « géométrie 2 » correspondant à la figure 5 mais avec des canaux de section constante et une configuration dite « géométrie 3 » correspondant à la figure 5, avec une variation des angles des canaux (on peut aussi parler de chenaux) entre 50° et 70° issue de la variabilité des diamètres internes.30 Surface totale projetée Vitesse moyenne réelle Géométrie Conventionnelle 5.45 m2 9m/h Géométrie 1 9.9m2 3- 6 m/h Géométrie 2 9.5 m2 Géométrie 3 9.2 m2 Le tableau ci-dessus montre que les vitesses d'ascension du fluide au sein de la zone de séparation sont divisées par deux voire trois pour les géométries 1,2 et 3 par rapport à la géométrie constituée de lamelles parallèles et sans changement de direction réduisant la propagation des turbulences du réacteur dans le matériau et retenant ainsi plus de particules solides. Les résultats concernant l'intensité turbulente prouve que les géométries 1,2 et 3 constituent une barrière à la turbulence plus efficace que la géométrie constituée de lamelles parallèles et sans changement de direction. En effet, dans les conditions de fonctionnement intensifié du procédé (mélange et débits importants) ; cette géométrie dite conventionnelle ne constitue pas une bonne zone de séparation (5% d'intensité turbulente). L'augmentation du rapport (hauteur de structure)/(diamètre hydraulique) de 0.6 à 1 a permis de diminuer l'intensité turbulente (de 1,3% à 15 0,9%). Intensité turbulente (%) En amont de la zone En aval de la zone de de séparation séparation 21,5 17,6 Sans zone de séparation Géométrie Conventionnelle 21,5 5,5 Géométrie 1 21,5 0,9 Géométrie 2 21,5 0,8 Géométrie 3 21,5 0,6 Les valeurs d'intensité turbulente en amont de la zone de séparation 20 correspondent aux conditions opératoires, classiques en soi, utilisées lors d'essais expérimentaux (type d'agitateur, vitesse d'agitation, etc.). La structure de tranquillisation décrite ci-dessus peut toutefois aussi être employée dans d'autres conditions opératoires conduisant à des valeurs plus élevées d'intensité turbulente en amont de la zone (ces valeurs peuvent être situées entre 25 et 75%). La configuration testée a les caractéristiques suivantes : réacteur de précipitation muni d'une structure de tranquillisation selon la figure 2, selon la configuration de la figure 9, permettant un mélange homogène des particules en suspension ainsi qu'une dispersion rapide des fluides (effluent à traiter et réactifs de cristallisation (par exemple un lait de chaux) entrant au sein de la cuve tout en réduisant les forces de cisaillement (faibles vitesses d'agitation), cuve de mélange définie par son diamètre hydraulique D=0.5m, guide flux d'une hauteur de 0.5m, positionné à 0.25m (0,5D) du fond du réacteur, structure de tranquillisation d'une hauteur choisie à nxh' = 0.3m avec n = 4 et h = 0.075m , positionnée en sorte que sa partie basse est à une hauteur de 0.7m E> (0.25D + H)] du point bas du réacteur, soit 1.4D. En outre, les conditions suivantes ont été suivies : Volume réacteur 250L Ratio H(zone de séparation) / H(zone de mélange-précipitation) 0.6 Débit eau à traitée 1000L/h Solide précipité/cristallisé CaCO3 - calcaire pH de précipitation 10.3 Réactifs de précipitation Ca(OH)2 - chaux Taux de solide dans le réacteur 0 - 350g/L Taux de solide en surverse (au 0.05 - 0.2g/L dessus de la zone de tranquillisation) Pourcentage effectif de rétention 0 - >99.9% Temps de séjour du liquide dans la cuve de mélange/précipitation 8 min Les caractéristiques de l'eau traitée ont été les suivantes : - pH : 7.5 - 8.5 - Ca2+ : 48 - 52 ppm 2 9 890 79 23 - Mg2+ : 16 - 2Oppm - Titre Alcalimétrique : 280 - 320 eq ppm CaCO3 - S042- Ainsi, il est établi que la configuration de la couche de tranquillisation (dimensions globales, géométrie et dimensions des canaux, répartition des canaux dans la couche, ...) est apparue permettre une diminution très significative de l'intensité turbulente, présentant de meilleures performances (à hauteur de cuve similaire): - comparées à un dispositif sans matériau de tranquillisation - comparées à un dispositif existant de décantation conventionnel constitué de lamelles parallèles et sans changement de direction (ex lamelles de décanteur lamellaire). La mise en place d'une structure de tranquillisation selon l'invention permet de : - dissocier le temps de séjour hydraulique du temps de séjour du solide précipité permettant ainsi une augmentation de la taille des particules produites et donc une meilleure décantation, déshydratation. - Augmenter le taux de solide dans le réacteur de précipitation sans recirculation des boues. - Réduire (ou supprimer) la concentration de particule en suspension ou turbidité résiduelle de l'eau traitée ou avant traitement tertiaire par coagulation floculation, limitant ainsi la quantité de réactifs nécessaire au traitement de cette dite turbidité ou par filtration membranaire (organique ou céramique) supprimant l'emploi de réactif et assurant une meilleure compacité ou par tous procédés de séparation solide-liquide. - Produire à partir d'un procédé de précipitation, un produit précipité présentant conjointement des tailles de particules (taille) et une pureté (qualité), difficilement atteignable avec les procédés de l'art antérieur. La configuration spécifique de la couche (ou structure) de tranquillisation visée par ladite invention permet le regroupement des étapes de réaction, de décantation et de recirculation en une seule étape compact offrant ainsi un bénéfice par rapport au séparateur conventionnels (réduction physique de la taille du réacteur). Globalement, en adaptant ladite invention en amont d'un décanteur lamellaire et en l'incluant dans un procédé de décarbonatation physico - chimique conventionnel, le procédé s'améliore grâce à un fonctionnement à forte charge en solides/boues (15 - 30%) dans le réacteur de précipitation. L'augmentation des performances réactionnelles combinée à une nouvelle approche de la conception du procédé permet : - De réduire l'empreinte énergétique (suppression de la recirculation des boues) - De réduire ou éviter (d'où la possible absence d'arrivée de réactifs dans la cuve) la consommation de réactif aidant au traitement de la turbidité (coagulant floculants) - Augmenter la compacité du réacteur (diminution du temps de séjour de l'étape de précipitation, suppression de la recirculation) - Diminuer, réduire le post traitement du solide produit (réduction du volume de boue, faible résistance spécifique a la déshydratation, vitesse de décantation élevées, qualité de produit améliorée pour valorisation) par la production de particule solide présentant une distribution de taille homogène et élevées en taille, une morphologie facilitant leur post traitement sans l'utilisation d'additifs complémentaires que l'on retrouve généralement dans lesdites boues solides recueillies. Un réacteur selon l'invention peut être intégré à diverses techniques : Procédés de précipitation + séparation solide liquide par membranes (organiques ou céramiques) : Ladite amélioration permet à la fois d'améliorer les performances de la réaction de précipitation (précipitation de sels inorganiques (CaCO3, gypse, Mg(OH)2, fluorure de calcium, phosphate de calcium, ...et de métaux, oxydes et hydroxydes métalliques) tel que cité précédemment (page précédente), ainsi que diminuer la charge entrante sur une unité de traitement ultérieur telle que les membranes de filtration (diminution du colmatage, augmentation de la durée de vie des membranes (réduction de l'abrasion)), L'unité de prétraitement ultérieur précitée pouvant être toute opération de séparation solide-liquide. L'invention apporte un gain du point de vue du génie des procédés, mais aussi du point de vue du génie chimique.