Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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WO 2005/035105 PCT/FR2004/002510
Buse de détente d'eau pressurisée pour générer des
microbulles dans une installation de flottation.
La présente invention concerne une buse de détente pour
générer des microbulles dans une cellule de flottation.
On connaît des installations de traitement d'eaux
comportant une cellule de flottation dans laquelle est
admise l'eau brute, préalablement floculée puis mélangée
à de l'eau pressurisée et détendue de façon que les
matières en suspension contenues dans. l'eau brute soient
entraînées par les microbulles résultant de cette
détente, puis évacuées, sous forme de boues, à la surface
du liquide contenu dans la cellule, l'eau traitée étant
évacuée par le fond de cette cellule. Une telle
installation est décrite notamment dans EP-A-0 659 690 et
dans WO 03/064326.
La flottation constitue donc une technologie de
clarification (séparation solide/liquide) qui est une
alternative à la décantation au moins pour certains
types d'eau.
Selon cette technologie rappelée ci-dessus, après l'étape
de coagulation-floculation, l'eau est mélangée avec un
lait (émulsion) de microbulles généralement d'air
(présentant un diamètre moyen compris entre 30 à
80 m) Ces microbulles s'accrochent aux flocs qui, de la
sorte allégés, ont tendance à monter vers la surface de
la cellule de flottation où ils s'accumulent pour former
une nappe ou lit de boues. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-
dessus,* les boues sont extraites en surface du
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flottateur, alors que l'eau clarifiée est évacuée par le
fond de l'appareil.
Une partie de cette eau clarifiée (en général de l'ordre
de 10 % de l'eau à traiter) est pompée à 4 ou 6. 105Pa
dans un ballon spécifique (dit ballon' de pressurisation)
où l'air se dissout en grande quantité (jusqu'à 5 fois la
concentration maximale de l'air dans l'eau â la pression
atmosphérique). Lors d'une détente brutale à la pression
atmosphérique, l'eau est placée en condition de
sursaturation et génère des microbulles. Cette détente
est réalisée par des systèmes statiques dits buses de
détente. Ces buses de détente sont placées, dans une zone
spécifique où les microbulles sont mélangées à l'eau
floculée.
Pour être physiquement séparé de l'eau dans un décanteur,
un floc doit être dense ou de grande taille.
Or pour être séparé par flottation, il suffit que le dit
floc soit formé ; il peut être petit et très léger. La
floculation peut donc être simplifiée, d'où l'absence
quasi générale de polymère pour le traitement par
flottation des eaux peu chargées et la mise en oeuvre de
réacteurs de floculation plus petits que ceux des
décanteurs.
En contre partie, les générateurs de microbulles doivent
produire des microbulles de très petit diamètre avec une
énergie dissipée dans le milieu compatible avec la
fragilité du floc.
Jusqu'à présent, les flottateurs n'ont guère été en
situation de concurrencer la génération des décanteurs
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rapides lamellaires, à lit de boues ou à lest, pour les
raisons suivantes :
volùme généralement surdimensionné de leur zone
de floculation,
- vitesses de séparation relativement faibles,
- coût énergétique de-la pressurisation
Cependant depuis quelques années apparaissent des
flottateurs rapides mettant en oeuvre des modules
lamellaires co-courant ou des systèmes de reprise
spécifiques. Des vitesses de 20 à 40 m/h sont annoncées.
Par ailleurs, les temps de floculation baissent en raison
de l'objectif de floc recherché et des technologies plus
performantes mises en oeuvre.
Dans ces conditions de temps de floculation réduit et de
vitesses élevées dans le flottateur, la flottation se
montre extrêmement compétitive par rapport aux
décanteurs. C'est la raison pour laquelle cette
technologie fait actuellement un retour en force
spécialement en clarification des eaux peu chargées avec
des arguments de compacité et de simplicité
d'exploitation.
Mais avec des appareils présentant de telles performances
en floculation et en vitesse de séparation, il faut que
les microbulle-s soient particulièrement adaptées en
nombre et en qualité.
Les temps réduits de la floculation exigent des
microbulles très fines, la fragilité des flocs demande
des énergies de mélange douces, les fortes vitesses de
séparation n'admettent pas de défaut de microbulles
actives.
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Ces contraintes ont fait que dans certains cas, les buses
de détente classiques, de taille industrielle, n'ont pas
permis d'atteindre les performances escomptées.
Par exemple sur des pilotes de taille semi-industrielle,
des petites buses de détente (100 1/h à 5001/h)
permettaient d'atteindre des vitesses de séparation dans
la cellule de flottation de 30m/h, alors que sur une
installation industrielle équipée de buses de détente
plus grosses (1000 à 1500 1/h) la vitesse du flottateur
ne pouvait pas dépasser 20 m/h.
Il a donc fallu développer une nouvelle buse mieux
adaptée aux exigences des flottateurs rapides de taille
industrielle.
Il existe à l'heure actuelle de nombreux types de buses
de détente pour la clarification des eaux. A cet égard on
peut se référer à l'article de E.M.Rykaart et J.Haarhoff
(Wat.Sc. Tech. Vol 31, n 3-4, pp 25-35. 1995) intitulé
Behaviour or air injection nozzles in dissolved air
flotation qui mentionne les principaux types de buses
Cet article se réfère notamment à des buses caractérisées
par
- une double détente (buse WRC et DWL) ou une
simple détente (NIWR)
- une détente suivie d'une chambre d'"amortissement
de la vitesse (NIWR et DWL)
une détente suivie d'une section divergente pour
ralentir la . vitesse (ci-après dénommée buse
B ) .
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La buse WRC est décrite notamment dans FR-P-1 444 026.
Elle comporte
- un premier étage de détente réalisant l'essentiel
de la détente, cet - étage étant réalisé sous la
5 forme d'un diaphragme ;
- une chambre intermédiaire de transfert et
d'expansion dans laquelle le gaz (par exemple de
l'air) est quasiment désorbé grâce au premier
étage de détente et à la turbulence régnant dans
cette chambre. La hauteur de cette chambre est
relativement importante. A titre d'exemple dans
le brevet cité ci-dessus, il est indiqué que
cet-t=e=hauteur est égale au diamètre de l'orifice
du deuxième étage de détente.
- un deuxième étage de détente réalisant en fait le
transfert d'une zone à forte énergie à une zone à
faible énergie ou faible vitesse. Cet étage est
réalisé sous la forme d'un diaphragme dont
l'orifice présente un diamètre qui est toujours
supérieur, à celui de l'orifice du premier étage
de détente et de préférence 2 fois plus grand.
L'objectif de cette invention est d'obtenir les
vitesses les plus faibles possibles en sortie de
buse pour ne pas casser les flocs sur lesquels
les bulles vont s'accrocher.
- un tube de sortie et de diffusion dont le rôle
est de protéger le floc des vitesses encore
relativement fortes en sortie de diaphragme et
d'obtenir une vitesse suffisamment faible à la
sortie du tube.
Partant de cet état de la technique (buse WRC),
l'invention se propose d'apporter une nouvelle buse
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permettant d'obtenir sur des installations industrielles
(buses de grandes capacités > 500 1/h) des performances
hydrauliques tout à fait inattendues, et notamment un
fonctionnement à plus de 30 m/h au lieu de 20 m/h avec la
buse B selon l'état antérieur de la technique.
En conséquence cette invention concerne une buse de
détente d'eau pressurisée pour* générer des microbulles
dans une installation de flottation comportant un premier
étage de détente, une chambre intermédiaire de transfert,
un second étage de détente. et un tube de sortie, cette
buse étant caractérisée en ce que-:
le premier étage de détente réalise une pré-
détente en absorbant de 5 à 20% de la pression
disponible ;
- le second étage de détente, sur lequel s'effectue
l'essentiel de la détente, fait passer l'eau
pressurisée de la pression de saturation à la
pression de sortie de la buse
- la chambre intermédiaire est une chambre de
transit dans laquelle l'eau pressurisée approche
de la pression de saturation en absorbant 5 à
% de la pression disponible et
25 - le tube de sortie constitue un tube de détente
brutale et de confinement de la cavitation, sa
longueur minimale correspondant sensiblement à la
distance séparant l'extrémité dudit tube côté
second étage de détente du point de recollement
30 des jets sur les parois du tube, avec un angle a
de divergence des jets, avant recollement,
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compris entre 3 et 12 de préférence entre 6 et 9 .
L'invention concerne également un procédé pour générer des microbulles en
utilisant une buse de détente d'eau pressurisée dans une installation de
flottation, le procédé comprenant les étapes de:
a) former dans la buse un premier étage de détente défini par une
entrée et par un premier diaphragme déplacé axialement et comportant au moins
un orifice;
b) former dans la buse une chambre intermédiaire en aval et
adjacente au premier diaphragme;
c) former dans la buse un second étage de détente déplacé
axialement, en aval de la chambre intermédiaire, et défini par un second
diaphragme comportant au moins un orifice et par un espace immédiatement en
aval du second diaphragme;
d) former un tube de sortie connecté au second étage de détente, le
tube de sortie ayant une longueur minimale correspondant à une distance entre
le second diaphragme et une extrémité du tube de sortie;
e) former en outre, en aval dudit au moins un orifice du second
diaphragme, un jet divergent à partir dudit moins un orifice, ayant un angle
de
divergence par rapport à un axe dudit au moins une orifice compris entre 3 et
12 ;
un diamètre hydraulique dudit au moins un orifice du premier diaphragme
étant supérieur à un diamètre hydraulique dudit au moins un orifice du second
diaphragme;
f) immerger la buse dans un liquide de l'installation de flottation;
g) fournir une eau pressurisée à l'entrée de la buse;
h) réaliser une pré-détente au premier étage de détente en absorbant
de 5 % à 20 % de la pression disponible dans le premier étage de détente;
i) faire transiter l'eau pressurisée dans la chambre intermédiaire, dans
laquelle l'eau pressurisée approche d'une pression de saturation en absorbant
de
5 % à 30 % de la pression disponible dans la chambre intermédiaire;
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j) réaliser l'essentiel de la détente dans la seconde chambre de
détente en faisant passer l'eau pressurisée de la pression de saturation à une
pression de sortie de la buse; et
k) faire transiter l'eau à travers le tube de sortie, où l'eau est soumise
à une détente brutale et à une cavitation.
Selon une caractéristique préférentielle de cette invention, les premier et
second
étages de détente sont réalisés sous la forme d'un diaphragme comportant un ou
plusieurs orifices de forme quelconque, le diamètre hydraulique de l'orifice
du
premier étage, ou de l'orifice équivalent si cet étage comporte plusieurs
orifices,
étant supérieur au diamètre hydraulique de l'orifice du second étage, ou de
l'orifice équivalent si cet étage en comporte plusieurs.
Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, la détente dl
est
effectuée au moyen d'une vanne, d'une chicane ou de tout autre dispositif de
restriction de flux.
Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, la chambre
intermédiaire ou de transit présente une hauteur, c'est-à-dire une distance
séparant le premier étage de détente du second étage qui est inférieure au
diamètre de l'orifice de la première détente (ou de l'orifice équivalent si
cet étage
comporte plusieurs orifices), de préférence égale à la moitié de ce diamètre.
D'autres caractéristiques préférentielles et avantages de la présente
invention
ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés
qui
en illustrent un exemple de réalisation ainsi que les résultats obtenus.
Sur ces dessins :
La figure 1 est un schéma représentant, en coupe axiale verticale une
buse selon la présente invention;
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La figure 2 concerne des expérimentations de
laboratoire et illustre les résultats apportés par
l'invention par rapport à ceux obtenus à l'aide de buses
selon l'état antérieur de la technique rappelé ci-dessus
et
La figure 3 traduit des données industrielles qui
illustrent les résultats apportés par l'invention par
rapport à ceux obtenus à=l'aide des buses selon cet état
antérieur de la technique.
En se référant aux dessins, on voit que la buse selon la
présente invention comporte un premier étage de détente 1
réalisé ici, sous la forme d'un diaphragme comportant un
orifice de diamètre di, une chambre intermédiaire ou de
transfert 3, un second étage de détente 2 comportant deux
ou plusieurs orifices (le diamètre hydraulique équivalent
de ces orifices étant égal à d2), et un tube de sortie 4.
Ainsi, selon l'invention, le diaphragme constituant la
détente d'un étage peut comporter un ou plusieurs
orifices. S'il comporte plusieurs orifices (comme c'est
le cas du second étage de détente 2 de cet exemple de
réalisation), le diamètre hydraulique d (soit d2 dans cet
exemple de réalisation) est le diamètre équivalent d'un
orifice dont la surface est égale à la somme des surfaces
des orifices de ce diaphragme.,
Comme il a été mentionné ci-dessus, le premier étage de
détente 1, réalise une simple pré-détente, l'objectif
étant qu'en amont du second étage de détente 2, la
pression soit proche de la pression de saturation de
l'eau pressurisée. Le diamètre hydraulique di de
l'orifice du système de restriction de flux constituant
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ce premier étage 1 est supérieur à celui du diamètre
hydraulique d2 de l'orifice du diaphragme constituant le
second étage 2 (ou de l'orifice équivalent lorsque ce
diaphragme comporte plusieurs orifices comme c'est le cas
du mode de réalisation illustré par la figure 1). De
préférence, di est égal à 1,5 d2. Dans cet étage la perte
de charge est' de l'ordre de 5 à 35%, de préférence de
l'ordre de 15%.
Dans la chambre de transfert 3, le gaz (notamment de
l'air) ne doit pas être'désorbé. Il existe une sorte de
continuité avec le premier étage de détente 1 et, selon
la présentë invention, la hauteur de la chambre 3 doit
être inférieure au diamètre hydraulique équivalent de
l'orifice du: système de restriction de flux du premier
étage de détente 1, cette hauteur e étant la distance
séparant les deux étages de détente ainsi qu'on le. voit
sur la figure 1. Cette chambre intermédiaire de transfert
3 constitue une chambre de transit permettant d'approcher
la saturation. La. perte de charge obtenue dans cette
chambre 3 est de l'ordre de 5 à 30%.
Le second étage de détente, 2, est, selon la présente
invention, la seule détente efficace qui fait passer
l'eau pressurisée de la pression de saturation à la
pression de sortie de la buse (hauteur d'immersion de la
buse) . Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus le diamètre
hydraulique d2 de l'orifice (ou de l'orifice équivalent)
du diaphragme constituant cet étage 2 est toujours
inférieur à celui du premier étage 1 et de préférence
environ 1.5 fois .plus petit. La perte de charge obtenue
grâce à ce second étage de détente 2 est de l'ordre de 60.
à 90%, de préférence 70%. L'objectif est de concentrer eri
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un point la totalité de la détente et la génération de
microbulles. Ce second étage de détente 2 est à
élargissement brutal, l'angle de. sortie du ou des
orifices du diaphragme le constituant étant plat (1800)
5 ou compris entre 90'et 270 .
Dans le tube de sortie 4, s'effectue la génération de
microbulles qui permet de réaliser deux phénomènes
- une expansion brutale (pas de divergent)
10 - une zone de cavitation (pression absolue =0)
effective et maintenue derrière le second étage
de détente 2.
Ces phénomènes sont réalisés si la seconde détente est
brutale (sans divergent ou divergent d'un angle au
centre < à 90 ou > 270 ) et si le tube présente une
longueur suffisante pour que la zone de dépression ne
soit pas alimentée par le liquide extérieure à la buse.
Selon l'invention, cette longueur L est fonction du
diamètre du tube et essentiellement de la distance entre
la paroi externe du ou des jets et la paroi interne du
tube. Selon l'invention, et comme on le voir clairement
sur la figure 1, la longueur minimale L du tube 4
correspond sensiblement à la distance séparant
l'extrémité dudit tube côté second étage de détente 2 du
point de recollement des jets sur les parois du tube,
avec un angle a de divergence des jets., avant
recollement, compris entre 3 et 12 , de préférence entre
6 et 9 .
Selon la présente invention, afin de réaliser une bonne
fermeture de cette zone de cavitation, il est nécessaire
que le diaphragme constituant le second étage de détente
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2, comporte soit un seul orifice central de forme
quelconque (circulaire, carrée, rectangulaire,
elliptique), soit plusieurs orifices situés à égale
distance du centre du diaphragme.
Le tube peut se terminer par un divergent d'extrémité 5
présentant la forme d'une trompette de façon à améliorer
les performances-et à réduire la vitesse de sortie. Cette
caractéristique apporte deux avantages
- Un meilleur recollement de la ou des veines
liquides et donc une meilleure fermeture de la
zone de cavitation,
Un ralentissement des vitesses de sortie buse
compatible avec la tenue mécaniques des flocs.
Ce type de réalisation permet de générer plus de grosses
bulles que les buses WRC mais les microbulles sont plus
fines.
Ces buses ont été caractérisées en laboratoire puis
testées sur des appareils industriels en situation de
production.
Résultats d'essais et performances
1) Essais en laboratoire
Une cinquantaine de buses ont été testées. Ces buses
étaient dérivées des types suivants
Buses désignées ci-après par B comportant une
détente suivie d'une section divergente pour
ralentir la vitesse
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- Buses. du type WRC qui ont été décrites ci-dessus,
et
- Buses objet de la présente invention, désignées
par la référence DGT.
Leur débit est d'environ 1.5 m3/h. Elles sont alimentées
en eau par un ballon de pressurisation sous 5. 105Pa. Les
buses sont plongées dans une cuve transparente présentant
une capacité d'un m3 où sont réalisées un certain nombre
de mesures
= Quantité de grosses bulles générées par la buse. Ce
débit est comparé en % à la quantité d'air effectif
dissous .dans, le ballon.
= Qualité du lait de. microbulles. Une mesure spécifique
par turbidimètre permet d'apprécier la qualité globale
des microbulles. Une forte turbidité correspond à des
microbulles plus nombreuses et/ ou plus fines.
= Vitesse à la sortie de la buse. L'objectif est
d'obtenir la vitesse la plus faible.
Les courbes illustrées sur la figure 2 visualisent les
résultats obtenus en turbidité du lait de microbulles et
en de grosses bulles. La meilleure buse est normalement
la buse qui génère le moins de grosses bulles et qui a le
lait le plus dense.
Les résultats montrent que
- les buses WRC génèrent peu de grosses bulles mais
la densité du lait de micro bulles est faible.
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les buses B et DGT (selon l'invention) génèrent
plus de grosses bulles et paradoxalement
présentent un lait plus dense. Plus il y a de
grosses bulles, plus le lait est dense, la
quantité d'air disponible étant plus faible,
l'augmentation de densité ne s'explique que par
des microbulles plus fines. La buse DGT selon la
présente invention est plus performante que la
buse B sur les 2 paramètres.
Les chiffres associés aux buses DGT (25, 35, 65, 90)
correspondent aux longueurs L en mm des tubes 4 munis
d'âne extrémité en trompette 5 (carrés noirs). On vérifie
qu'une longueur insuffisante 25 mm ne permet pas de
générer un lait dense. Il est nécessaire d'avoir une
longueur d'au moins 35 mm 'pour que les veines liquides
recollent sur les parois et in fine obtenir un lait de
qualité. Compte tenu du fait que le diaphragme
constituant le second étage de détente 2 comportait 3
orifices, l'angle a de diffusion du jet pour recoller à
la paroi en 35 mm est compris entre 6 à 90 (12 à 18 au
centre) Une longueur trop importante augmente la quantité
de grosses bulles probablement par frottement. La qualité
du lait a tendance à diminuer.
Les performances des buses DGT selon la présente
invention, avec tubes de sortie 4 dépourvus de trompette
sont représentées par des carrés clairs. Les extrémités
en trompette 5 font gagner de 5% à 20% en turbidité et
réduisent les vitesses de sortie buse de 10 à 40%.
En conclusion, les meilleures buses semblent être la buse
WRC+ améliorée (faible quantité de grosses bulles et
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turbidité correcte) et les buses DGT 35 et DGT 65 (forte
densité de lait malgré un taux important de grosses
bulles).
2) Tests sur des flottateurs industriels
Ces tests ont été réalisés sur une grande usine d'eau
potable comportant cinq flottateurs travaillant en
parallèle, dans les mêmes conditions, chacun étant équipé
de buses d'un type différent.
A l'exception de la buse B prise comme référence, les
buses retenues toutes équipées de tubes de sorties à
extrémités~ç:n trompettes étaient les suivantes
- buse B
- buse WRC+
- buse DGT 35
- buse DGT 65
- buse DGT 100
Sur une eau difficile et pour 2 débits testés (vitesse
ramenée à la surface de séparation par flottation : 20
m3/m2/h et 30 m3/m2/h) les résultats, obtenus en
turbidité de l'eau flottée et en vitesse sur le
flottateur, sont consignés sur la figure 3.
L'examen de cette figure 3 montre que :
- Toutes les buses donnent des quantités de
microbulles à peu près suffisantes à 20 m/h (taux
de pressurisation =13%).
- A 30m/h et avec un taux de pressurisation de 8.5
la différence entre buses apparaît nettement
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- Le-s buses B décrochent par déficit de
microbulles dû probablement à un excès de
grosses bulles.
- Les buses WRC+ perdent en efficacité sans doute
5 car leurs microbulles sont globalement plus
grosses.
Seules les buses DGT65 et DGT 100 ne
décrochent pas avec la vitesse. Ce sont donc
les buses qui génèrent la. plus grande quantité
10 de microbulles. La longueur du divergent de la
DGT 35 n'est pas suffisante pour générer des
microbulles de même qualité.
En conclusion, il apparaît que, de façon surprenante, la
15 buse qui génère cinq fois plus de grosses bulles (50%
contre 10%) est finalement la buse la plus performante en
flottation. Ceci est probablement dû au fait, comme on
l'a déjà mentionné, que les microbulles générées sont
plus petites. Les conditions de génération de ces
microbulles sont une détente brutale avec formation d'une
zone de' cavitation non réalimentée grâce à un tube
.divergeant à extrémité en trompette suffisamment long.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est
pas limitée aux exemples de réalisation ou de mise en
oeuvre décrits et/ou mentionnés ci-dessus mais qu'elle en
englobe toutes les variantes. C'est ainsi que notamment,
le diamètre hydraulique dl de l'orifice du premier étage
de détente 1 ou de l'orifice équivalent si cet étage
comporte plusieurs orifices peut être compris entre 1,6
et 1,1 fois le diamètre de l'orifice du second étage, de
détente ou de l'orifice équivalent si cet étage comporte
plusieurs orifices.
