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WO 03/070377 PCT/CA02/00233
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TITRE : DETECTEUR ACOUSTIQUE D'OBSTRUCTION DANS UN
DISPOSITIF D'ECOULEMENT DE FLUIDE PAR VORTEX
DOMAINE DE L'INVENTION
Cette invention a trait aux systèmes physico-chimiques de traitement
des eaux industrielles, et en particulier à un système de détection acoustique
dans les
extrêmes graves de fluctuations densimétriques hors normes d'un fluide
circulatoire à
composantes solide insoluble et liquide intervenant dans un tel système de
traitement
d'eaux.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Dans certains secteurs industriels, tels l'industrie des pâtes et papiers,
de l'agro-alimentaire, de la métallurgie ou de la pétrochimie, une grande
quantité
d'eau de service est requise. Pour des raisons de coût, cette eau de service
ne vient
pas du réseau d'eau potable d'une municipalité, mais plutôt directement d'une
source
naturelle d'eau brute comme un lac ou une rivière. Par conséquent, les
variations de
la qualité d'eau brute en provenance de sources naturelles d'eau nécessitent
un pré-
traitement pour clarifier l'eau et pour stabiliser cette eau clarifiée, à un
niveau en
deçà des normes d'eau potable.
Un tel pré-traitement d'eau brute peut par exemple comprendre un
procédé de décantation dans une unité de filtration d'eau comprenant des
bassins de
décantations reliés en série. Dans un tel procédé de décantation, un réactif
de
coagulation pourra d'abord être injecté à l'eau brute en amont de l'unité de
filtration
d'eau. L'eau entre alors dans un bassin de mélange rapide où les particules
colloïdales sont déstabilisées. L'eau brute coagulée passe alors à l'étape de
l'injection
d'un polymère et de sable fin. Ce sable sert de lest aux flocons. L'ajout de
polymère
et une agitation modérée accélèrent la formation de liens entre les micro-
flocons, la
matière en suspension et le sable fin. Des flocons plus gros et plus denses
sont ainsi
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formés. Les flocons lestés par le sable peuvent décanter rapidement dans la
zone
lamellaire, et aboutissent dans la trémie ou s'épaississent les boues. L'eau
clarifiée
est recueillie par une série de goulottes, alors que les boues qui sont au
fond de la
trémie sont pompées en continu vers un hydrocyclone, permettant la séparation
du
sable et des flocons. L'hydrocyclone a ainsi pour fonction de réintroduire le
sable
dans le bassin d'injection et d'évacuer les boues. En effet, le sable fin
(typiquement
entre 20 et 300 micromètres de granulométrie) est un élément important dans le
bon
fonctionnement efficace d'un tel système de traitement des eaux industrielles.
Ainsi, dans la demande de brevet européen publiée le 8 novembre
1995 sous le numéro 680 933 au nom de la société française OTV Omnium de
Traitements et de Valorisation, il est décrit un tel procédé de traitement
d'un
écoulement d'eau brute chargée en particules et colloïdes, dans lequel on suit
les
étapes suivantes:
a) on fait circuler cette eau brute dans une première zone dite zone de
coagulation, que l'on maintient turbulente et dans laquelle on mélange à cette
eau
dans une proportion contrôlée un réactif coagulant;
b) on fait circuler l'écoulement coagulé;
c) on ajoute du sable fin, à granulométrie entre 20 à 300 micromètres,
dans une seconde zone intermédiaire de floculation et de maturation;
d) on injecte un agent floculant dans cette zone intermédiaire;
e) on maintient dans cette zone intermédiaire des turbulences propres à
maintenir ce sable fin en suspension tandis que des colloïdes ou particules de
l'eau
brute s'agrègent autour des particules de sable fin;
fJ on fait circuler l'eau brute, y compris tout le sable fin ajouté et les
colloides ou particules qui y sont agrégés, dans une troisième zone de
décantation,
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où on sépare un effluent décanté et des boues constituées du sable fin et des
colloides
agrégés;
g) on recueille les boues;
h) on extrait le sable fin par procédé notamment d'hydrocyclonage, des
boues;
i) on recycle en amont le sable fin; et
j) on extrait les boues purgées du sable.
Ce procédé de traitement de l'eau traite la turbidité, la couleur, les
caractéristiques olfactives et gustatives, la prolifération d'algues, les
matières en
suspension et les métaux.
Un problème associé à un tel système de décantation intervient
lorsque l'hydrocyclone se bouche avec les boues, ce qui empêche le sable fin
d'emprunter la sortie souverse de l'hydrocyclone et ce qui entraîne le reflux
du sable
fin dans la sortie de surverse avec les boues qui devaient être séparées du
sable fin.
Le sable n'étant plus recyclé dans le circuit, cela entraîne la dégradation du
procédé
de traitement des eaux. Pour l'instant, seul le passage devant l'hydrocyclone
de
l'opérateur de manière régulière avec des contrôles visuels, permet de
prévenir ce
genre de problème, ce qui représente des coûts élevés en main d'oeuvre sans
parler
d'une fiabilité non garantie.
Dans ce contexte, on sait que le mouvement d'un fluide dans une
conduite produit un bruit rayonné dans la fourchette entre 1 Hertz (Hz) et 100
kiloHz. Le bruit de fond généré par les pompes et la machinerie se trouve
habituellement sous 5,000 Hz, alors que les fréquences sonores plus élevées,
soit
entre 5,000 et 50,000 Hz, fournissent habituellement les indices recherchés
concerant
le taux d'écoulement de fluide. Par conséquent, les systèmes connus de
surveillance
fJ on fait circule
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de bruit rayonné dans une conduite dans laquelle circule un fluide, ignorent
les
fréquences inférieures à 5,000 Hz.
BUTS DE L'INVENTION
Le but principal de l'invention est donc de proposer un moyen pour
permettre de détecter des signaux avant coureurs de blocage de l'hydrocyclone
d'une
unité de traitement des eaux industrielles, avant que cela se produise, ce qui
permet
d'alerter le service de maintenance pour corriger la situation avant que le
début de la
dégradation du procédé de traitement des eaux ne commence.
Un but plus spécifique est de prévoir un tel moyen de détection de
signaux avant-coureurs de blocage de cet hydrocyclone, qui permettra
l'amélioration
du contrôle des pertes hors normes du sable fin utilisé pour maintenir un
procédé de
décantation d'eau brute avec recyclage du sable, en mode de fonctionnement
optimal.
Un but corollaire de l'invention est de proposer une amélioration à
l'unité de traitement d'eau brute par décantation après lestage au sable fin,
telle que
décrite dans la demande de brevet européen No EP 954000873.6 déposée le 19
avril
1995 au nom de la société française OTV, supra, et dont l'un des co-inventeurs
est
également co-inventeur dans la présente demande de brevet.
Un but important de l'invention est d'assurer une constance de qualité
dans le temps de l'eau clarifiée par l'unité de traitement d'eau brute décrite
dans la
demande EP .95400873.6, supra, quelles que soient les conditions en amont de
l'eau
brute.
D'autres buts de l'invention sont que ces moyens de détection soient
simples à utiliser, de faible coût, fiables et d'entretien facile.
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SOMMAIRE DE L'INVENTION
Compte tenu du but de l'invention, l'on prévoit d'installer une sonde
acoustique contre la paroi extérieure de la zone vortex de fhydrocyclone d'une
unité
5 de clarification d'eaux industrielles, afin de mesurer le bruit rayonné en
extrêmes
basses fréquences (moins de 500 Hz) au niveau de l'hydrocyclone lors de la
séparation du sable et des boues.
L'invention concerne notamment un dispositif de contrôle acoustique
des fluctuations densimétriques d'un fluide comprenant du sable fin et des
boues et
pouvant circuler au travers un hydrocyclone, l'hydrocyclone permettant la
ségrégation de sable fin des boues dudit fluide et comprenant un corps
tubulaire
ayant une paroi extérieure et ayant à une première extrémité une entrée dudit
fluide
et une première sortie de boues transversale à ladite entrée de fluide, et à
une
seconde extrémité une seconde sortie de sable, ledit dispositif de contrôle
étant
constitué: a) d'une sonde acoustique, sensible au bruit rayonné par
l'écoulement
dudit fluide sablonneux dans l'hydrocyclone et destinée à être appliquée
contre la
parôi extérieure dudit corps de l'hydrocyclone généralement dans le plan de
sadite
entrée de fluide, ladite sonde acoustique étant sensible au moins aux très
basses
fréquences; et b) d'un microprocesseur, relié de façon fonctionnelle à ladite
sonde
acoustique et susceptible de transmettre un signal d'alerte lorsque ladite
sonde
acoustique détecte une variation d'amplitude hors norme dudit bruit rayonné
excédant une valeur seuil.
Ledit signal d'alerte peut être transmis lorsque ladite sonde acoustique
détecte en forte amplitude une bande de 1/3 d'octave centrée sur une fréquence
de 25
Hertz ou de 200 Hz.
L'invention a également trait à un hydrocyclone pour recycler du sable
fin utilisé dans une unité de clarification d'eau industrielle, l'hydrocyclone
comprenant: a) un corps tubulaire ayant une paroi extérieure et ayant à une
première extrémité une entrée de fluide, pour recevoir des boues et du sable
fin, une
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première sortie de boues transversale à ladite entrée de fluide, pour évacuer
ces
boues, et à une seconde extrémité une seconde sortie de sable, pour récupérer
ledit
sable; b) une sonde acoustique, sensible au bruit rayonné par l'écoulement
dudit
fluide dans l'hydrocyclone et appliquée contre ladite paroi extérieure dudit
corps de
l'hydrocyclone, généralement dans le plan de ladite entrée de fluide, ladite
sonde
acoustique étant sensible au moins aux basses fréquences entre 25 et 500
Hertz; et
c) un microprocesseur, relié de façon fonctionnelle à ladite sonde acoustique
et
susceptible de transmettre un signal d'alerte lorsque ladite sonde acoustique
détecte
une variation d'amplitude dudit bruit rayonné excédant une valeur seuil.
Ladite sonde acoustique pourrait également être sensible à
l'écoulement de fluide au travers ladite première sortie (surverse) de fluide.
Ladite
sonde acoustique occupera préférablement une position sur ledit hydrocyclone
faisant un angle d'environ 45 degrés par rapport à un axe longitudinal formé
par
ladite entrée de fluide. Ladite sonde acoustique pourra être un microphone sub-
centimétrique, et comprendra alors au surplus un adaptateur élastomérique
souple,
ancrant ledit microphone à ladite paroi extérieure de corps de l'hydrocyclone.
La présente invention vise également une méthode de détermination
de paramètres d'écoulement d'un fluide à composantes solide et liquide dans un
hydrocyclone, comprenant les étapes suivantes: a) faire passer ledit fluide
par une
entrée dudit hydrocyclone; b) créer un vortex à l'intérieur dudit
hydrocyclone, afin
d'obtenir une ségrégation dudit fluide en une première composante pâteuse,
évacuée
par une première sortie de l'hydrocyclone, et une seconde composante solide,
récupérée au travers une seconde sortie de l'hydrocyclone; c) détecter au
moyen
d'une sonde acoustique le bruit rayonné par l'écoulement dudit fluide dans le
vortex
de l'hydrocyclone; d) soumettre ledit bruit rayonné à une analyse de
fréquences
hertziennes, et isoler les fréquences à l'intérieur de la fourchette entre 25
et 500
Hertz; e) évaluer l'amplitude des variations du niveau sonore dudit bruit
rayonné en
fonction d'une période de temps donnée; et f) transmettre un signal d'alerte
lorsque
ladite amplitude des variations de niveau sonore de bruit rayonné excède une
valeur
seuil.
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Dans le cas où la composante solide dudit fluide comprendrait du
sable fin à granulométrie variant entre 20 et 300 micromètres, ladite
transmission du
signal d'alerte pourrait être différée jusqu'à ce que soit isolée une bande de
1/3
d'octave centrée sur une fréquence de 25 Hertz ou de 200 Hertz à un niveau
excédant
ladite amplitude de valeur seuil.
L'invention a également trait à un dispositif de contrôle
électromagnétique des fluctuations densimétriques d'un fluide à composantes
solide
et liquide pouvant circuler au travers un hydrocyclone, l'hydrocyclone
permettant la
ségrégation de la composante solide du fluide et comprenant un corps tubulaire
ayant
à une première extrémité une entrée de fluide et une première sortie pour la
composante liquide dudit fluide transversale à ladite entrée de fluide, et à
une
seconde extrémité une seconde sortie pour la composante solide dudit fluide,
ledit
dispositif de contrôle étant constitué: a) de moyens électromagnétiques
susceptible
de détecter à distance une émission électromagnétique générée par l'écoulement
du
fluide dans l'hydrocyclone; et b) d'une unité de traitement de données, reliée
de
façon fonctionnelle auxdits moyens électromagnétiques et susceptibles de
transmettre un signal d'alerte lorsque lesdits moyens électromagnétiques
détectent
une variation d'amplitude hors norme de ladite émission électromagnétique.
DESCRIPTION DES F1GURES DE DESSINS
La figure 1 est une section verticale d'une unité de clarification d'eau,
comprenant une canalisation de recirculation de fluide avec hydrocyclone;
La figure 2 montre une vue agrandie en élévation de l'hydrocyclone de
la figure 1;
La figure 3 est une vue en section longitudinale brisée des deux
portions d'extrémités opposées de l'hydrocyclone de la figure 2, et montrant
la sonde
acoustique selon l'invention; et
La figure 4 est une vue en coupe transversale de la portion supérieure
de l'hydrocyclone, y compris la sonde acoustique et sa boîte de contrôle
électrique.
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DESCRIPTION DU MOD~LE PRÉFÉRÉ DE L'INVENTION
La figure 1 des dessins montre une unité de traitement des eaux
industrielles.
Cette unité 10 est par exemple préfabriquée en acier inoxydable.
L'unité 10 supporte un procédé de clarification d'eau comprenant:
a) la coagulation et la floculation assistée par sable fin (à granulométrie
inférieureà 300 micromètres), ce qui favorisera la formation de flocons lestés
ainsi
que l'augmentation des vitesses de chute des flocons lors de la décantation;
et
b) la décantation lamellaire, qui permet une réduction considérable de la
surface du bassin de décantation.
L'unité 10 comprend ainsi à une première extrémité un premier bassin
de coagulation 12. Ce bassin 12 est alimenté en eau brute E au travers une
entrée
14a ménagée à une section intermédiaire en hauteur d'une paroi verticale 14 de
l'unité 10. Un réactif de coagulation (non représenté) est injecté à l'eau
brute en
amont de l'unité 10. Sous l'effet d'un agitateur motorisé rotatif 16, installé
dans le
bassin de coagulation 12, l'eau brute coagulée passe ensuite dans un second
bassin
d'injection, 18, dans lequel des polymères (non représenté) et du sable fin S
sont
injectés à l'eau brute coagulée pour former des flocons. Le sable fin S sert
de lest
aux flocons. L'ajout de polymères et une agitation modérée accélèrent la
formation
de liens entre les microflocons, la matière en suspension et le sable fin.
Sous l'effet
d'un autre agitateur motorisé rotatif 20 installé dans le bassin 18, il y a
migration vers
un troisième bassin de maturation 22, puis sous l'action d'un autre agitateur
24, les
flocons lestés par le sable S décantent rapidement dans une cuvette lamellaire
26.
Les boues constituées des flocons et du sable S sédimentent et
s'accumulent par gravité au fond de la trémie 26A, alors que l'eau clarifiée
est
recueillie dans un bassin supérieur 28 pour être évacuée par une sortie d'eau
de
lavage 30 pour être récupérée économiquement par la suite. Une partie de l'eau
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clarifiée peut également être filtrée par un filtre gravitaire 32, avant
d'être évacuée
par une sortie d'eau filtrée 33 au fond de l'unité 10 et récupérée
économiquement par
la suite.
Une canalisation 34 avec pompe circulatoire 36 relie le fond de la
trémie 26A à un point vis-à-vis la surface supérieure du bassin d'injection 18
espacé
de celle-ci. Un hydrocyclone 38 est installé à l'extrémité supérieure de la
canalisation 34, de sorte que les boues se trouvant au fond de la trémie 26A
puissent
être pompées en continu vers cet hydrocyclone 38. L'hydrocyclone 38 a pour
fonction de séparer les flocons du sable S, et comporte donc une entrée amont
38A,
une première sortie aval 38B, dite de souverse, de fhydrocyclone, pour
retourner et
récupérer économiquement par effet de vortex le sable fin S dans le bassin
d'injection 18, et une seconde sortie aval 38C, dite de surverse, de
l'hydrocyclone,
pour évacuer par effet vortex et jeter par une autre canalisation 40 les
flocons
dépourvus de sable.
La sortie 38C forme une tubulure dont la portion amont 39 de sa
lumière est de diamètre restreint, et donc formant goulot d'étranglement par
rapport à
sa portion aval opposée. Comme représenté à la figure 3 des dessins, cette
portion
amont 39 de tubulure de sortie de surverse 38C, est déportée intérieurement
dans le
corps 42 de l'hydrocyclone 38 par rapport à l'entrée 38A, de sorte que les
fluides en
provenance de l'entrée 38A ne puissent pas pénétrer par la portion amont 39 de
la
sortie surverse 38C, à moins d'avoir cheminé le long de chicanes ou courants
tourbillonnaires 41 dans le vortex 43 de l'hydrocyclone 38.
La figure 2 montre un hydrocyclone 38, comprenant un corps conique
42 ayant une surface intérieure 42A et une surface extérieure 42B délimitant
une
lumière intérieure conique 47. L'entrée 38A est transversale à l'axe
longitudinal du
corps conique 42, alors que les sorties 38B et 38C sont coaxiales à cet axe
longitudinal. L'entrée 38A et la sortie des boues 38B sont coaxiales l'une à
l'autre.
L'entrée 38A sera par exemple horizontale, alors que les sorties 38B, 38C,
seront par
exemple verticales.
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Selon l'invention, une sonde acoustique 44 (figs 3 et 4) est installée
contre la paroi extérieure 42B du corps conique vis-à-vis l'entrée 38A. Cette
sonde
acoustique 44 occupe le même plan transversal que l'entrée 38A de
l'hydrocyclone
38, mais n'est pas coaxiale avec cette entrée 38A. On observe une optimisation
5 surprenante de la performance de la sonde acoustique 44 lorsque la position
de la
sonde 44 par rapport à l'axe longitudinal de l'entrée 38A produit un angle
d'environ
45 degrés. Une boîte de contrôle électrique 46 est reliée à cette sonde 44 par
un fil
électrique 48. Cette boîte de contrôle 46 pourra comprendre un petit micro-
processeur 50, qui pourra commander une sonnerie d'alarme (non représentée)
10 lorsque certains paramètres acoustiques prédéterminés sont atteints.
La sonde acoustique 44 peut être constituée d'un microphone
d'environ 0,6 centimètre, par exemple le modèle MFS 100 de la société
américaine
GREYLINE INSTRUMENTS, inc. (Massena, New York). Ce modèle MFS 100 est
efficace sur une conduite fluide d'un diamètre minimal de 6,5 millimètres. Un
commutateur dans ce microphone 44 réagira au bruit rayonné dans l'hydrocyclone
38
par l'écoulement de fluide, lorsque ce bruit dépassera un niveau préétabli
ajustable,
le détectera, l'amplifiera, pour ensuite commander un relais de commande. Ce
microphone sera installé sur la paroi extérieure 42B de l'hydrocyclone, avec
une
simple serre; il n'y aura aucun contact direct avec le fluide en circulation,
aucune
obstruction avec celui-ci. Il n'y a aucun orifice à percer dans la paroi de
l'hydrocyclone 38. Ce microphone 44 est cependant modifié pour être sensible
aux
fréquences d'extrême graves, à savoir, en dessous de 500 Hz.
Ce microphone 44 pourra être appliqué sur la paroi extérieure 42B de
la flûte d'alimentation 45 de l'hydrocyclone, et en particulier dans la zone
du vortex
43 tel qu'illustré sur les figures 3 et 4, par l'intermédiaire d'un adapteur
élastomérique
souple, par exemple en néoprène, afin d'établir un quasi contact avec les
différentes
zones d'écoulement de fluide de l'hydrocyclone à surveiller, tout en réduisant
au
minimum la contribution du bruit de fond (tels les pompes, agitateurs,
compresseurs,
et semblables) au niveau de ce microphone. Le microprocesseur 50 pourra par
exemple être muni soit d'un logiciel d'analyse à deux canaux de 16 bits par
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l'intermédiaire d'un préamplificateur programmable; un second microprocesseur
(non représenté) pourrait être utilisé en parallèle avec le premier, et serait
alors relié
à un second canal de système d'acquisition de données par l'intermédiaire d'un
sonomètre.
Lorsque l'hydrocyclone 38 se bouche, on constate une perte de débit
fluidique à la souverse 38B, et un rejet du sable S par la surverse 38C. Le
débit
fluidique exerce une influence sur la signature du bruit de fhydrocyclone, car
l'affluence et la concentration de sable dans la zone de vortex 43 provoquera
une
signature particulière détectable par la sonde acoustique 44.
Divers tests réalisés au moyen de cette sonde acoustique 44 ont
permis de découvrir que, de façon surprenante, l'analyse spectrale du signal
au tiers
d'octave en temps réel des signaux acoustiques en provenance notamment de la
zone
de vortex 43, mais également dans une moindre mesure de la zone de la surverse
38C, révélaient des changements d'amplitude de niveau sonore par rapport à la
signature acoustique normale du bruit rayonné du fluide dans l'hydrocyclone,
dans
des bandes de très basses fréquences (inférieures à 500 Hz) lors du bouchage
de
l'hydrocyclone. On se rappelera du chapitre précédent d'état de la technique
que les
systèmes connus de surveillance de bruit rayonné par l'écoulement d'un fluide
dans
une conduite, évoluaient dans des fréquences supérieures à 5 kHz, et donc
ignoraient
les fréquences inférieures à 500 Hz.
En particulier, les co-inventeurs ont détecté de façon inattendue de
grandes variations d'amplitude des niveaux sonores dans les tiers d'octaves de
fréquences présentes dans la fourchette entre 25 et 500 Hertz, et en
particulier dans
les tiers d'octave autour de 25 Hz ou de 200 Hz où le système paraissait
entrer en
résonance, et ce au niveau notamment du vortex 43 ou de la surverse 38C de
l'hydrocyclone 38. Une telle situation permet la détection du bouchage de cet
hydrocyclone 38 avant même que ne commence l'évacuation du sable S à la
surverse 38C, en même temps que la boue.
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L'hydrocyclone 38 pourra être revêtu de garnitures en élastomère, par
exemple en néoprène ou en polyuréthane.
Bien entendu, le présent système de détection acoustiques des modifications de
paramètres d'écoulement de fluide, n'est pas limité aux traitements des eaux
industrielles avec hydrocyclone, mais pourrait s'étendre à d'autres domaines
sem-
blables, comprenant notamment un fluide à composantes solide immiscible s'écou-
lant dans des canalisations reliées à un système créant des courants
tourbillonnaires
permettant de séparer la composante solide du fluide. Lorsqu'on parle de sable
fin,
on n'exclut pas tout matériau granulaire non soluble dans le liquide du fluide
circulatoire. Quand on parle de boues, cela peut vouloir signifier toutes
sorte de
débris naturels ou non, macro ou microparticulaires, liés entre eux de façon
plus ou
moins lâche comme ensemble déformable comme une pâte ou semblable.
