DECANTATION

ARTICLETECHNIQUES DE LINGNIEURLexpertise technique et scientifique de rfrenceTechniques

de l'Ingnieur

p2645Spectromtrie de masse - Principe et appareillage

Date de publication : 12/09/2014 Par :

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Guy BOUCHOUX Professeur luniversit Paris XI (Orsay), cole Polytechnique, DCMR, Palaiseau

Michel SABLIER Charg de recherches au CNRS, cole Polytechnique, DCMR, Palaiseau

Guy BOUCHOUX Professeur luniversit Paris XI (Orsay), cole Polytechnique, DCMR, Palaiseau

Michel SABLIER Charg de recherches au CNRS, cole Polytechnique, DCMR, Palaiseau

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j3450 Dcantation - Aspects thoriques

10/03/1999

Pierre BLAZY Professeur l'Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL), Directeur du Centre deRecherche sur la Valorisation des Minerais (CRVM)Laboratoire Environnement et Minralurgie(LEM) ? CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL) El-Ad JDID Docteur s Sciences, Ingnieur de Recherche au CRVM, LEM ? CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL) Jean-Luc BERSILLON Doctor of Philosophy, Professeur l'INPL ? LEM UMR 75-69 (ENSG-INPL)

Oprations unitaires : sparation de phases, dcantation et filtration Oprations unitaires. Gnie de la raction chimique

Procds chimie - bio - agro

11/02/2015 7200056728 - areva // nc BIBLIOTHEQUE INSA // 197.31.112.26

Copyright 2015 Techniques del'Ingnieur

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tiwekacontentpdf_j3450Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie des procds J 3 450 1

pects thoriquespar Pierre BLAZY

Professeur lInstitut National Polytechnique de Lorraine (INPL)Directeur du Centre de Recherche sur la Valorisation des Minerais (CRVM) Laboratoire Environnement et Minralurgie (LEM) CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL)

El-Ad JDIDDocteur s SciencesIngnieur de Recherche au CRVM, LEM CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL)

et Jean-Luc BERSILLONDoctor of PhilosophyProfesseur lINPL LEM UMR 75-69 (ENSG-INPL)

a dcantation est une opration unitaire, parmi les techniques de sparation liquide-solide bases sur le phnomne de sdimentation, qui consiste

sparer dun liquide les particules en suspension en utilisant les forces gravi-

1. Gnralits................................................................................................. J 3 450 - 21.1 volution ...................................................................................................... 21.2 Principe de la dcantation statique ............................................................ 21.3 Domaines technologiques dapplication ................................................... 21.4 Caractristiques des suspensions .............................................................. 21.5 Place de la dcantation dans les oprations

de sparation liquide-solide ....................................................................... 3

2. Vitesse de sdimentation des particules dans un liquide ............ 32.1 Suspensions dilues.................................................................................... 3

2.1.1 Particules isoles................................................................................ 32.1.2 Particules flocules ............................................................................ 4

2.2 Suspensions concentres ........................................................................... 42.2.1 Vitesse limite de chute....................................................................... 42.2.2 Temps de sjour................................................................................. 4

3. Dtermination exprimentale des vitesses de sdimentation .... 53.1 Comportement dune suspension en prouvette ..................................... 53.2 Courbes de sdimentation.......................................................................... 5

4. Thorie de la sdimentation ................................................................. 6

5. Procdure de dimensionnement des dcanteurs............................ 75.1 Gnralits ................................................................................................... 75.2 Suspensions dilues.................................................................................... 85.3 Suspensions concentres ........................................................................... 9

5.3.1 Mthode de Coe et Clevenger .......................................................... 95.3.2 Mthode de Talmage et Fitch ............................................................ 95.3.3 Mthode de Oltmann......................................................................... 95.3.4 Mthode de Wilhelm et Naide .......................................................... 105.3.5 Comparaison des diffrentes mthodes de dtermination de la surface................................................................................................. 105.3.6 Dtermination de la hauteur et du volume...................................... 105.3.7 Coefficients correcteurs..................................................................... 10

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. J 3 452

LCe document a t dlivr pour le compte de 7200056728 - areva // nc BIBLIOTHEQUE INSA // 197.31.112.26

DCANTATION

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J 3 4

taires. L

es procds mis en uvre diffrent selon que lon recherche seulement augmenter la concentration des solides (paississage) ou que lon vise obte-nir un liquide clair partir dune suspension dilue (clarification).

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tiwekacontentpdf_j3450Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.50 2 Techniques de lIngnieur, trait Gnie des procds

u boues) et que lon recueille simultanment et sparment de clarifi (surverse ou surnageant ou liquide clair). De nom-facteurs rgissent la sparation solide-liquide, dont les princi-ont :

taille des particules solides et leur distribution omtrique : les particules les plus fines ont la vitesse de sdi-tion la plus lente et les boues en rsultant sont moins char-n solides que lorsquil sagit de particules grossires ; concentration en solides, qui conditionne la surface unitaire pareils (m2 t1 h1) ; diffrence entre les masses volumiques du solide et du , la forme et les caractristiques superficielles des solides et sit du liquide, qui influent sur la vitesse de sdimentation.

gne de sa voisine, et la vitesse individuelle de sdimentation dcrot mesure que la dilution de la suspension augmente. Pour quil y ait dcantation des particules les plus fines, il faut quelles puissent sdimenter dans un courant ascendant de liquide. On peut aussi effectuer une sparation granulomtrique ou hydrospara-tion, en utilisant leffet du courant ascendant, les fines particules tant alors vacues avec le dbordement du dcanteur.

La sdimentation des flocs rsultant de la collision des particules, est ralise avec ou sans addition dun agent floculant la suspen-sion dilue. On assiste alors une clarification progressive et il ny a pas dinterface nette entre le liquide surnageant et les particules en cours de sdimentation. La vitesse du courant ascendant est alors le facteur principal rgissant la clarification.dimentation est ralise sur diffrents types de matires solides en sus-on, parmi lesquelles on peut distinguer deux comportements opposs : des particules grenues, qui dcantent indpendamment les unes des , et celui des particules plus ou moins flocules, qui ont des vitesses de

variables, fonction de la taille des flocs et de leur abondance.horie de la dcantation et la procdure de dimensionnement des appa-iennent compte de ces considrations.

nralits

volution

que la dcantation fut utilise de tout temps pour la clarifica-s eaux de consommation, ce nest quau dbut du XXe sicle concentration des minerais dans des laveries de grande capa-endu ncessaire de sparer de grands dbits de solides et de s en opration continue. En 1906, Dorr a mis en uvre, dans ine dor du Dakota du Sud, un dcanteur liquide-solide con-e dcanteur consistait en une grande cuve circulaire, dont le n pente tait muni dun mcanisme de raclage anim dun ment rotatif lent, qui entranait, vers la pointe centrale inf-de lappareil, les solides sdiments. Ceux-ci taient vacus orifice de dcharge, sans crer de turbulence, de sorte quun clair dbordait la priphrie de la cuve. Le procd sten-ratiquement toutes les usines de traitement de minerais et nd nombre dindustries tout au long du XXe sicle.

les annes 70 est apparu, en srie sur le march, un nouvel il : il sagit du dcanteur lamellaire, qui comporte des cloi-clines, destin la clarification des suspensions dilues. is, le principe est connu depuis fort longtemps puisque le r brevet a t dpos aux tats-Unis en 1886.

rincipe de la dcantation statique

cantation statique fait appel la sdimentation de particules dans un liquide, qui est habituellement de leau ou une solu-ueuse, sous laction de la pesanteur. Elle est continue quand

rait en permanence les matires qui se sont dposes (sous-

1.3 Domaines technologiques dapplication

La technologie de la sdimentation sest perfectionne principale-ment dans deux domaines trs diffrents : le traitement des eaux (naturelles, domestiques et industrielles), dune part, et celui des pulpes en minralurgie et hydromtallurgie, dautre part. Dans ces deux grands domaines, les critres de choix des dimensions et de capacit des appareils ne sont pas les mmes. En effet, le traitement des effluents liquides, et tout particulirement le traitement des eaux, demande la clarification de dbits importants de suspensions dilues. On doit, cependant, rechercher non seulement une surface minimale pour la dcantation des particules mais aussi un volume minimal, bien que la clarification soit conditionne par la floculation et par le temps de sjour. En minralurgie, la situation est tout autre, car les pulpes sont en gnral relativement concentres. On doit pouvoir disposer dune surface suffisante pour la dcantation et dun volume suffisant, non pour floculer les particules solides de la suspension, mais pour paissir les boues. Cest la raison pour laquelle on est amen considrer les suspensions dilues et les suspensions concentres ou pulpes.

1.4 Caractristiques des suspensions

Les particules peuvent sdimenter selon des rgimes diffrents du fait que le comportement de chaque particule est influenc la fois par la dilution de la suspension et par les interactions entre les particules. On distingue les cas suivants (Dahlstrom et Fitch, 1985).

La sdimentation individuelle est ralise pour des dilutions importantes. Dans ce cas, chaque particule est suffisamment loi-Ce document a t dlivr pour le compte de 7200056728 - areva // nc BIBLIOTHEQUE INSA // 197.31.112.26

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DCANTATION

La

sdimentation globale

rsulte de la sdimentation dune sus-pension concentre au point que chaque particule ou floc soit en contact avec des entits adjacentes. On obtient alors une structure plastique et il se produit une sdimentation densemble prsentant une inqui dest conmmedu dcde chuzone ddont lasissag

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diamtre des particules favorise la sdimentation de faon trs significative, de sorte que la floculation est devenue une partie intrinsque de la sdimentation. La plupart des matriaux en sus-pension dans un liquide sont naturellement floculs et, de ce fait,


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terface nette entre le liquide surnageant et la masse boueuse cante en piston. La vitesse de dplacement de cette interface stante pendant un certain temps. Les particules gardent les

s positions relatives, cependant, en se rapprochant du fond anteur elles sont gnes dans leur mouvement et leur vitesse te diminue. Il se forme alors dans le fond du dcanteur une e concentration suprieure celle voisine de linterface et hauteur va en augmentant. Cette zone correspond lpais-

e des boues.

dimentation en compression prend le relais du rgime pr- quand la structure de la pulpe devient suffisamment com-our dvelopper une force de compression. La subsidence de couche est ralentie par le comportement mcanique des s sous-jacentes, chaque couche tant soumise une com-n qui entrane lexpulsion du liquide et favorise ainsi laug-

tion de la concentration en solide.

dimentation htrogne correspond un rgime particulier perturbations interviennent dans la sparation des phases la sdimentation en compression. Certaines pulpes prsen-s mouvements locaux intermittents de liquide, ou de suspen-ilue, de bas en haut. Ce phnomne peut se traduire ace liquide clair pulpe par le dgagement de bulles. Par-prend naissance ds le rgime de sdimentation globale. Le t final est un paississement plus rapide de la pulpe. La exacte des mcanismes mis en jeu est mal connue.

t noter que la transition entre les diffrents rgimes se fait de re continue et le classement qui vient dtre propos constitue

plification pour mieux les caractriser.

lace de la dcantation ans les oprations de sparation

iquide-solide

paration liquide-solide ne peut en aucun cas tre totalement e par la seule opration de dcantation. Elle est gnralement mbinaison de plusieurs mthodes. Par exemple, en minra- la dcantation permet dobtenir une pulpe paissie 55-65 % des en masse. La pulpe paissie est ensuite filtre pour obte-gteau 80-90 % de solides. Un schage ultrieur conduit duit final 95 % de solides, et exceptionnellement 98-99 %. ntre, en traitement des eaux, o les suspensions de dpart xtrmement dilues, les boues obtenues par dcantation oagulation-floculation, ou par un traitement biologique, con-

nt 5 10 % en masse de matires sches. Les solides rsul-sont trs hydrophiles et seul un pressage conduit des ux contenant au maximum 30 % de solides.

itesse de sdimentation es particules ans un liquide

orie de la sdimentation de solides fins dans un liquide, qui la loi de Stokes, montre que la vitesse de chute dune parti-st proportionnelle la diffrence des masses volumiques a particule et le liquide et au carr de la dimension de la parti-n consquence, tout phnomne susceptible daugmenter le

peuvent tre concentrs par sdimentation, bien que celle-ci soit parfois trs lente.

2.1 Suspensions dilues

2.1.1 Particules isoles

Lorsque la concentration en volume des solides en suspension est infrieure 0,5 %, on considre que les particules sont suffisam-ment loignes les unes des autres et que, de ce fait, chacune dentre elles sdimente comme si elle tait isole dans le liquide. En fonction du nombre de Reynolds de la particule, il existe trois rgi-mes de sdimentation : un rgime laminaire ou rgime de Stokes, un rgime de transition et un rgime turbulent ou rgime de New-ton.

Dans un fluide, un solide en mouvement libre est soumis trois forces :

son poids, fonction de sa masse volumique ( s ), de son volume et de lacclration gravitaire (g ) ;

la pousse dArchimde, fonction de la masse volumique du fluide ( f ), du volume du solide et de lacclration (g ) ;

les forces de frottement, fonction du carr de la vitesse relative du solide par rapport au fluide, du matre-couple (surface de la pro-jection, gale d 2/4 pour une sphre de diamtre d ) et du coeffi-cient de trane du solide dans le fluide (Cx ), qui varie en fonction de la forme et du nombre de Reynolds (Re) de la particule.

Aprs un certain temps de chute acclre, une particule atteint une vitesse limite de chute (Ulim). Dans le cas dune particule sph-rique de diamtre d, cette vitesse est donne par la relation suivante :

(1)

Et le nombre de Reynolds de la particule sexprime par la relation :

(2)

avec f viscosit dynamique du fluide.

Les rsultats de nombreux travaux exprimentaux ont conduit dlimiter plusieurs domaines en fonction de la valeur de Re, comme le montre le tableau 1, qui donne galement les relations exprimant la vitesse limite de chute des particules pour chaque domaine, en fonction de Cx.

La valeur infrieure du domaine de validit de la loi de Stokes (Re < 104) correspond la distinction que font les exploitants de la dcantation entre une particule et un collode . En pratique, les particules de dimension infrieure au micromtre ont des vites-ses limites de sdimentation infrieures au m/s. Cette vitesse est du mme ordre de grandeur que celle de la diffusion brownienne (agitation thermique).

Ulim4d3Cx----------

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Tableau 1 Vitesse limite de chute des particules sphriques en fonction du nombre de Reynolds

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Particules flocules

n considre les temps de dcantation de particules isoles, nes du tableau 2, obtenues daprs la loi de Stokes, mon-

ue les proprits de surface deviennent primordiales pour les les ultrafines. Linteraction entre les particules induit leur tion, lorsque les forces rpulsives, dues des charges lectri-uperficielles, sont contrebalances par des forces attractives e Van der Waals. La dstabilisation de la suspension de trs articules revient donc diminuer les forces de rpulsion lec-iques. Elle peut tre naturelle ou provoque par lajout de chimiques (coagulants et/ou floculants). Les fines particules

nt alors des microflocs, puis des flocs ou flocons volumineux, imentent facilement. La formation des microflocs est rgie

diffusion brownienne, tandis que la formation des flocs est ar lnergie dissipe dans le volume occup par un liquide de t donne, crant ainsi un gradient de vitesse.

onstate que, pour une suspension flocule, la dcantation se e suivant plusieurs phases, comme dailleurs dans le cas des sions concentres : formation dune interface plus ou moins bien marque ;ne dcantation en piston de cette interface, une vitesse re ;n tassement vitesse dcroissante, appele par convention de compression des boues.

remire phase correspond une floculation de la suspension. nde phase est particulirement importante, car cest dans ce

ne de concentrations de particules que travaillent les dcan- lit de boues, o la dcantation est souvent assiste par des tements ou par des pulsations permettant une meilleure flo-n. En ce qui concerne les lois de sdimentation, on se rappro-rs des suspensions concentres. Enfin, la dernire phase ond lpaississement des boues.

faciliter le passage de la premire phase la deuxime il est possible dagir sur le diamtre des particules, sur leur

masse volumique ou, enfin, sur la gomtrie des coulements. Pour ce faire, les techniques mises en uvre sont la dcantation en lit de boues ou recirculation de boues, la dcantation de flocs lests et la dcantation tubulaire ou lamellaire [J 3 451].

2.2 Suspensions concentres

Ds que la concentration volumique en solides devient leve (> 0,5 %), les interactions entre particules ne sont plus ngligeables. La sdimentation est gne et la vitesse de dcantation freine. Les particules adhrent entre elles et la masse dcante en piston avec une interface nette entre les boues et le liquide surnageant. Thori-quement, pour calculer la vitesse de sdimentation, il faut faire intervenir la masse volumique et la viscosit quivalente de la sus-pension.

2.2.1 Vitesse limite de chute

En rgime laminaire (Re < 1) et en milieu newtonien, on peut admettre que la viscosit cinmatique quivalente dune suspen-sion (m) et sa masse volumique (m) sexpriment approximative-ment partir de celles du liquide (f et f ) suivant les relations :

(3)

(4)

avec D et Dlim, dilutions (volume du liquide par unit de masse de solides) de la suspension et de la boue en fin de sdimentation (tas-sement), respectivement.

En remplaant f par m et f par m dans lquation de la loi de Stokes en rgime laminaire (tableau 1), on obtient la valeur approxi-mative de la vitesse limite de chute des particules en suspension concentre, soit :

(5)

Dans le cas des particules flocules, la valeur de Ulim est obtenue en remplaant, dans la relation (5), Dlim par Dc , la dilution corres-pondant au dbut de compression.

2.2.2 Temps de sjour

La vitesse de floculation est fonction de la concentration en soli-des et la vitesse de dcroissance de la concentration en matire flo-

< 104 La loi de Stokes ne sapplique pas, car le mouvement des particules est influenc par le mouvement brownien

104 1 24/Re 0,545(s f )f1d 2 Rgime laminaire1 10 26/Re0,77 0,57(s f )0,814 f0,625 d 1,439 Rgime

de transition10 102 20/Re0,65 0,73(s f )0,741 f0,481 d 1,222

102 103 4,92/Re0,346 1,81(s f )0,604 f0,209 d 0,813

103 2 105 0,44 5,40(s f )0,5 d 0,5 Rgime turbulent

bleau 2 Temps de sdimentation pour diffrentes rticules, daprs la loi de Stokes (Degrmont, 1989)

de particules Diamtre(m)Temps de dcantation

pour 1 m deau

rs..................... 10 000 1 s

s........................ 1 000 10 s

s fins................. 100 2 min

s....................... 10 2 h

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m f D 1 s( )+D Dlim

----------------------------=

mDf 1+

D 1 s( )+----------------------------=

Ulim 0,545 s f( ) D Dlim( )d 2

1 D( ) f+[ ] D 1 s( )+[ ]f------------------------------------------------------------------------=Ce document a t dlivr pour le compte de 7200056728 - areva // nc BIBLIOTHEQUE INSA // 197.31.112.26

________________________________________________________________________________________________________________________ DCANTATION

cule est proportionnelle au carr de cette concentration (Rivet, 1981) :

(6)

soit ap

avec

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3.1 Ce

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rs intgration,

(7)

C0 concentration initiale en solides de la suspension,

C concentration en solides au temps t,

k constante de floculation,

t temps de sjour.

termination xprimentale des vitesses e sdimentation

omportement dune suspension n prouvette

n verse dans une prouvette une suspension de concentra-ffisante (> 0,5 % en volume), on observe les phnomnes sui-figure 1) :u dpart les gros grains sdimentent rapidement et se dpo-r le fond de lprouvette (zone a). La hauteur de cette zone nte rapidement et se stabilise aprs la dcantation des sables ension suprieure 0,1 mm ;

ite, il apparat rapidement, et parfois immdiatement, une ce entre un liquide clair (zone b) et une phase boueuse. La boueuse peut tre elle-mme divise en deux parties : une suprieure conservant laspect de la suspension de dpart ) et une zone infrieure daspect intermdiaire (zone d ).

Toutefois, il ne peut y avoir dinterface que si la suspension dcanter ne contient pas de particules ou de flocons ultrafins, et quil y ait en prsence une assez grande quantit de flocons et de particules quitombantes, de sorte que la concentration en solides sous cette interface soit assez leve. Linterface est dautant plus nette que la vitesse de chute sous linterface est faible, cest--dire que la concentration en solide est leve. Ds que la dilution de la suspension au dpart dpasse de 8 10 fois celle du dbut de com-pression, il ny a plus dinterface nette et on ne peut plus parler de vitesse de dcantation dinterface (on retrouve alors les caractristi-ques des suspensions dilues).

3.2 Courbes de sdimentation

Aprs avoir vers la pulpe dcanter dans une prouvette cylin-drique de section S, on tudie le comportement de la suspension en sdimentation, en traant la variation de la hauteur h de linterface sparant le liquide clair de la suspension, ou la variation du volume V, en fonction du temps coul depuis le dbut de la dcan-tation (figure 2). La vitesse de sdimentation est reprsente tout moment par la tangente la courbe au point dabscisse t, et lon a :

(8)

ou (9)

La courbe prsente quatre domaines :

domaine I : il correspond la dure initiale de floculation et est souvent inexistant si la floculation est rapide ;

domaine II : cest le domaine o les flocs commencent se ras-sembler en flocons et la vitesse de dcantation est constante ; celle-ci scrit :

(10)

ou (11) 1 volution de laspect dune suspension en sdimentation ne prouvette

dt

1C----

1C0------ kt=

i

tat initial de la suspension homogne

grosses particules

liquide clair

zone de mme aspect que la suspension initiale

zone intermdiaire

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Figure 2 Allure gnrale dune courbe de sdimentation

a

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Domaine II

Domaine IIIDomaine IV

Temps de sdimentation t

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U dVSdt----------=

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omaine III : partir du point b, interviennent les actions per-ices entre les flocons et les particules. Ce point est souvent fini sur la courbe ;

omaine IV : partir du point c, les lments solides isols et ons sont en contact et forment des pseudorseaux semi-rigi- liquide contenu est vacu travers la masse des sdiments t les vides crs par ces pseudorseaux et la suite de glisse-des couches de boues. Le domaine IV est appele zone de ession et le point c est le point de dbut de compression. linterface, dans son mouvement descendant, rencontre la suprieure de cette zone, sa vitesse de dplacement diminue urbe de sdimentation sinflchit pour devenir asymptotique roite parallle laxe des abscisses.

construction graphique lg-lg (figure 3) permet de dterminer ettement le point c et parfois le point b. On retrouve spatiale-

es domaines II, III et IV de la reprsentation schmatique des trations dans un dcanteur-paississeur (Perry et Chilton,

oint de compression c peut galement tre dtermin par la de de Roberts (figure 3), qui fait intervenir la dilution :

(12)

, dilution finale,

lg (h h

) = k (t tc ) (13)

(1980) observe quil existe trois types de courbes de sdimen-de suspensions flocules selon trois domaines de concentra-gure 4) :

zone de type 1, ou zone de sdimentation, o lon observe le ement vers le haut des flocs dposs sur le fond de vette ; elle correspond la dcantation des suspensions pour

lles la concentration C0 est comprise entre Cc et Cc (Cc tant

entration des boues au point de compression c ) ;

zone de type 2, ou zone de consolidation, est une zone inter-re et correspond la formation de pores grossiers intercon- pour donner des canaux ;

zone de type 3, correspondant au phnomne proprement compression, la tendance donner des canaux diminuant ne concentration croissante.

4. Thorie de la sdimentation

La modlisation de la sdimentation est due Kynch (1952), qui propose la thorie suivante : la vitesse de chute de particules rigides en sdimentation libre ne dpend que de la concentration locale en solide de la suspension. Elle est une fonction dcroissante de la con-centration en solide. Les particules de mme dimension, de mme forme et de mme masse volumique sont quitombantes et leur concentration est uniforme pour chaque niveau de la colonne de sdimentation.

Ainsi, partir dessais en prouvette, Kynch trace dans le dia-gramme (h, t ) les droites disoconcentration correspondant aux niveaux o la concentration a une valeur C donne, et leur dpla-cement dans le temps (figure 5). La pente de ces droites est donne par la relation :

(14)

avec v (C) vitesse de dplacement dun plan de concentration constante (C), par rapport lprouvette.

Dans le triangle ab0, les vitesses de chute sont constantes. Leur quation scrit, pour Ca < C < Cb :

h = h0 + v (C)t (15)

Les droites disoconcentration situes dans ce triangle traduisent la monte travers la suspension la vitesse v (C), dun niveau de concentration C travers lequel les particules sdimentent la vitesse U(C) = dh/dt. Au temps t, le flux (ou nombre) de particules qui ont travers ce niveau est gal (v + U)C.

Dans le tronon bc, on assiste un ralentissement progressif de la vitesse de chute du dpt, et les lignes disoconcentration consti-tuent dans le triangle b0c un faisceau de droites passant par lori-gine, ce qui signifie que ds le dmarrage de la dcantation, les couches voisines du fond passent par toutes les concentrations comprises entre la concentration initiale C0 et celle correspondant

3 Reprsentation lg-lg et semi-lg (Roberts) dune courbe imentation

2 4 6 8

8

6

4

2

11 0 1 2 3 4 5 6 710

b b

cc

t t

dDdt-------- k D D

( ) =

13---

Figure 4

Courbes typiques de sdimentation de suspensions flocules

yy

yy

yy

yy

b

b

a

a

0 0 0 0

Type 1 Type 2 Type 3

a, b

Tempsa Pulpes minrales b Boues

y

Suspension sous forme de flocs spars

Suspension sous forme d'un milieu poreux

dhdt------- v C( )=

Ce document a t dlivr pour le compte de 7200056728 - areva // nc BIBLIOTHEQUE INSA // 197.31.112.26

________________________________________________________________________________________________________________________ DCANTATION

au poiscrit

pour Cde lp

La thtion quune suseule solide domaiimpliqdont la

Il ende parest dtfond dtion de

Et pola cons

Ou e

Il depour dde flux

Danpermetraande la brieur linterfles soldun stabldant qtrs di

Figure(Kynch,

Hauteur de l'interface, h

a

Flux de sdimentation


Ce d

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hniques de lIngnieur

, trait

Gnie des procds

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7

nt du dbut de compression (

C

c

). Lquation de ces droites :

h

=

v

(

C

)

t

(16)

b

<

C

<

C

u

;

C

u

tant la concentration ultime du dpt au fond

rouvette.

orie de Kynch analyse donc les changements de concentra-i se produisent durant la sdimentation des particules dans spension monodisperse, et postule quil nexiste quune

vitesse de sdimentation (

U

) pour chaque concentration en (

C

). La suspension est de ce fait caractrise, dans tout le ne de concentration, par la simple relation entre

U

et

C

, ce qui ue lexistence dune courbe de flux pour chaque suspension, relation sexprime par :

G

=

UC

(17)

rsulte que, n

importe quel niveau de lprouvette, le flux ticules dtermine la concentration en solide, et inversement il ermin par celle-ci. En se plaant une hauteur

h

partir du e lprouvette, o la concentration est

C

h

linstant

t

, la varia-

G

avec

h

fait que la concentration doit aussi varier et lon a :

d

G

=

v

d

C

h

(18)

ur une couc he dpaisseur d h situe au niveau h , au temps t , ervation de la matire sexprime par lquation :

(19)

ncore en tenant compte de

(1

8) :

(20)

vient donc possible de comparer les modes de sdimentation

es suspensions dilues et concentres, en traant les courbes

G

=

f

(

C

).

s une opration de dcantation en continu, la courbe de flux t de dterminer un flux critique ou flux limite

G

L

, obtenu en

t la tangente cette courbe partir du point

C

s

, concentration

oue dans la sous-verse (figure

6

). Si on tablit un fl

ux sup-

G

L

, les solides en excs s

accumulent dans le dcanteur, ace boue/suspension monte lentement jusquau moment o ides passent dans la surverse (Concha, 1995). La surcharge paississeur est, dans la ralit industrielle, un phnomne qui it lentement et on peut tolrer en pratique une surcharge pen-uelques heures. Dans le cas contraire, o lalimentation est lue, lpaississeur travaille en clarificateur.

Aussi, toute tentative de modlisation et de simulation de lpais-sissage dune suspension est-elle base sur lvaluation de la concentration maximale que lon peut obtenir dans la sous-verse (Hogg et al., 1995). Certains auteurs (Buscall et al., 1987) font inter-venir la rsistance la compression du sdiment dpos.

Cependant, la thorie de Kynch et celles qui en drivent (Talmage et Fitch, 1955 ; Yoshioka et al., 1957 ; Hassett, 1958, 1964 et 1968 ; Shannon et al., 1963 ; Jernqvist, 1965 ; Shannon et Torry, 1965 et 1966), ne sappliquent pas rigoureusement aux phnomnes de sdimentation en continu pour plusieurs raisons :

dans la plupart des cas, les suspensions sont plus ou moins htrognes ;

en gnral, on se situe dans le domaine de la sdimentation gne, mme si au dpart on pouvait considrer quelle tait libre. En fin dopration, les particules sont en contact les unes avec les autres ;

la complexit du systme est accrue par la formation de flocs, dont la structure plus ou moins lche confre une masse volumique telle quun floc peut sdimenter plus lentement que les particules individuelles.

Pour mieux rendre compte du processus de sdimentation en continu pour les oprations dpaississage et pour les suspensions flocules, dont la forme des courbes de sdimentation obtenues par des essais en prouvette dpend de la consolidation de la matrice de solides interconnects, il existe dautres modles bass sur diverses thories dcrivant lcoulement de liquide travers un milieu poreux dformable (Michaels et Bolger, 1962 ; Fitch, 1962 ; Dell et al., 1966 et 1968 ; Shirato et al., 1970 ; Shin et Dick, 1974 ; Kos et Adrian, 1975 ; Kos, 1977 et 1978).

5.

Procdure de dimensionnement des dcanteurs

5.1

Gnralits

P

our le dimensionnement des dcanteurs, les donnes de base sexpriment :

5

Courbe de sdimentation et droites disoconcentration

1952)

Temps de sdimentation, t

b

c d

0

Ct-------

Gh--------=

Ct------- v C

h------- 0=+

Figure 6

Courbe de flux de sdimentation

C0 Cs

Us

GL

Cmax

Concentration locale


DCANTATION ________________________________________________________________________________________________________________________

J 3 4

en terme de volume de suspension traiter par unit de sur-face et de temps (m

3

m

2

h

1

), caractris par la charge hydrauli

-que superficielle (cf. 5.2) laquelle on doit lier le temps de sjour ; cest le cas des suspensions dilues ;

ede sur

matirconcen

Dansvette p

Il exface dpar dun litrereprs

Un dzones,

z

z

ment prdom

z

voluecompr

z

lespac

La sparticufond dzone oment gDe mter touliquidecule la

5.2

S

En c

faire d

largionspara

laqui imteur.

La cplus sdune zet laut

Dans

sdimeretenu

Dans

formm

dobterelatio

Dansrent u

Alimentation


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oute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.50 8 Techniques de lIngnieur, trait Gnie des procds

n terme de flux massique des particules dcanter par unit face et de temps (kg m2 h1), caractrisant la quantit de e en suspension dcanter ; cest le cas des suspensions tres.

les deux cas, on est amen effectuer des essais en prou-our valuer la vitesse de sdimentation.

iste plusieurs procdures empiriques pour dterminer la sur-un dcanteur partir de la courbe de sdimentation obtenue cantation dune suspension dans une prouvette dau moins de capacit. Il est ncessaire doprer sur des chantillons

entatifs et temprature constante.

canteur travaillant en continu peut tre divis en quatre comme le montre la figure 7 (Perry et Chilton, 1973) :

one A : le liquide est clarifi et passe en surverse ;one B : la suspension a une concentration en solide relative-uniforme et les conditions de sdimentation libre sont inantes ;

one C : on se trouve en zone de transition o les conditions nt du rgime de sdimentation libre au rgime de ession ;one D : la compression des solides force le liquide sortir de e interparticulaire.

urface du dcanteur doit tre suffisante pour permettre la le, dont la vitesse de chute est la plus faible, datteindre le e lappareil. Or, puisque la vitesse de chute varie suivant la lon se situe, il est ncessaire que le volume soit suffisam-rand pour que la particule puisse passer dune zone lautre. me, le dbit de la surverse clarifie doit tre limit, afin dvi-te turbulence dans lappareil, et la vitesse ascendante du doit tre infrieure la vitesse de sdimentation de la parti- plus lente (Suttill, 1991).

uspensions dilues

larification, un dcanteur est un appareil permettant de satis-eux conditions :

sparation proprement dite, qui requiert de fournir une dans laquelle le rgime hydrodynamique est propice la tion solide-fluide ; gestion des flux de sous-verse et surverse aprs sparation,

pose des contraintes gomtriques la conception du dcan-

ombinaison de ces deux conditions fait que le dcanteur le imple est constitu dune cuve paralllpipdique munie one dentre et de deux zones de sortie (une pour la surverse re pour les boues), comme lillustre la figure 8.

un dcanteur flux vertical, toute particule dont la vitesse de ntation est suprieure la vitesse ascendante du liquide est

e dans la sous-verse.

un dcanteur flux horizontal, le dbit (Q) qui traverse uni-ent le dcanteur de profondeur (H) et de largeur , permet

nir une vitesse horizontale de transfert du fluide suivant la n :

(21)

la zone intermdiaire de dcantation, les particules acqui- ne vitesse limite de chute donne par la loi de Stokes. Par

consquent, une particule est retenue par le dcanteur de lon-gueur L si :

(22)

et, en tenant compte de la relation (21) :

(23)

soit : (24)

ou : Ulim > UH (25)

avec SH surface horizontale du dcanteur,

UH = Q /SH vitesse de Hazen (ou charge hydraulique superficielle) qui est donc indpendante de la profondeur du dcanteur.

( )

UfQH-------=

Figure 7 Reprsentation schmatique dun dcanteur flux vertical

Figure 8 Coupe schmatique dun dcanteur flux horizontal

yy

yyZone A

Zone B

Zone C

Zone D

Sous-verse

Surverse

y

y

y

L

HUlim Ulim

UfUf

Zone de boues

Zo

ne

d'e

ntr

e

Zo

ne

de

sort

ie

particules grenues

particules flocules

UlimH

------------

UfL

------>

UlimH

------------

QHL----------->

UlimQSH------->Ce document a t dlivr pour le compte de 7200056728 - areva // nc BIBLIOTHEQUE INSA // 197.31.112.26

________________________________________________________________________________________________________________________ DCANTATION

5.3 Suspensions concentres

5.3.1 Mthode de Coe et Clevenger

Bien(1916) saire Pour qlapparsquenfisanteDans uest gateur et

Si Dpoint dverse, de liqu

Et la

avec

ldpassmenta

En c1981), sdimeconcendans sbase drsulte(courbbas (co

Or, p

on a :

avec

ldes da

En c

Le flface unla sou

Flux de sdimentation


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que la mthode soit ancienne, la relation de Coe et Clevenger est couramment utilise pour dterminer la surface nces- mettre en uvre pour assurer la sdimentation dune pulpe. ue lopration soit satisfaisante, il faut que la surverse de eil de dcantation soit constitue dun liquide clarifi. En con-ce, si la zone de clarification prsente une profondeur insuf-, les fines particules peuvent tre entranes dans la surverse. ne opration en continu et lquilibre, le dbit de la surverse l la diffrence entre le dbit de pulpe lentre du dcan-

le dbit de la sous-verse extraite la base du dcanteur.

est le rapport massique liquide/solide, ou dilution, en un onn du dcanteur-paississeur, DB la dilution de la sous-

Ms le dbit massique de solide sec entrant, le dbit massique ide qui passe en surverse ( ) est :

= (D DB)Ms (26)

vitesse ascensionnelle du liquide Ua scrit :

(27)

S surface de lpaississeur,

f masse volumique du liquide.quilibre, la vitesse du courant ascensionnel ne doit pas er, en un point donn de lpaississeur, la vitesse de sdi-

tion.

onsidrant les flux de solide (Jernqvist, 1965 et 1966 ; Rivet, si C est la concentration en solide, U la vitesse relative de ntation des particules par rapport la suspension pour la tration C, Us la vitesse de dplacement vers le bas de la boue on ensemble la suite de lvacuation de la sous-verse la u dcanteur, le flux solide trait, G (courbe 3 sur la figure 9), la fois de la sdimentation des solides dans la suspension e 1 sur la figure 9) et du dplacement global de celle-ci vers le urbe 2 sur la figure 9) :

G = C [U + Us ] (28)

uisque :

(29)

(30)

QB dbit des boues extraites sous forme de sous-verse,

S surface du dcanteur

quilibre, en rgime continu, il ny a pas accumulation de soli-ns lappareil et lon peut crire :

(31)

ombinant (30) et (31), il vient :

(32)

ux de solide G que lon peut traiter dans un dcanteur de sur-itaire est donc fonction de la concentration des solides dans

s-verse et dans la suspension lentre, et de la vitesse de

sdimentation U. Mais puisque U est fonction de C et que lalimen-tation a une concentration C infrieure la concentration de la sous-verse Cs , Coe et Clevenger dterminent U pour un certain nombre de valeurs comprises entre C et Cs et calculent G pour ces valeurs. On constate gnralement que G passe par un minimum (Gmin), qui sert dterminer la surface du dcanteur, et lon a la relation :

(33)

Cette constatation est en accord avec la thorie qui a t dvelop-pe plus tard par Kynch.

5.3.2 Mthode de Talmage et Fitch

Talmage et Fitch (1955) simplifient la mthode de Coe et Cleven-ger. Il sagit, aprs avoir dtermin le point de compression c sur la courbe de sdimentation, de mener en ce point la tangente la courbe. On trace lhorizontale au point hB correspondant la concentration de boues dsire CB , sachant que :

h0 C0 = hB CB (34)

On dtermine graphiquement tB partir de lintersection de lhori-zontale dordonne hB et la tangente au point de compression c(figure 10), et la surface du dcanteur est donne par la relation :

(35)

Cette mthode a les faveurs de la socit Dorr-Oliver (Suttill, 1991).

5.3.3 Mthode de Oltmann

On utilise labcisse t y du point dintersection entre la droite dordonne hB et la droite joignant le point dordonne h0 de la courbe et le point c, dite droite dOltmann (figure 10). On crit (Sut-till, 1991) :

(36)

M

M

UaD DB( )Ms

Sf-------------------------------=

UsQBS

-------=

G C U Q

B

S

-

-

-

-

-

-

-

+ =

G Cs QBS

-------=

G U1C----

1Cs------

----------------=

Figure 9

Courbes de flux dans un dcanteur travaillant en continu

GL

CL Cs

Us

C0 Cmax

1

1 Flux de sdimentation

2 Flux de soutirage

3 Flux total (= 1 + 2)

Concentration locale

3

2

SM

GS

=

min

StB

h0 C0---------------=

Sty

h0 C0---------------=


DCANTATION ________________________________________________________________________________________________________________________

J 3 4

5.3.4

Cettede YosportangrammsuivansegmesegmeC = 1. Lconcen

Cettede la hen pilo

5.3.5

Unemthodes phrsultadant, ltime laClaven

Figure

de Oltm

hB

h0

Hauteur de l'interfaceTableau 3 Valeurs compares des surfaces unitaires

obtenues par diffrentes mthodes, pour la dcantation


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Mthode de Wilhelm et Naide

mthode (Wilhelm et Naide, 1979) est base sur le modle hioka (1955), lui-mme driv du modle de Kynch. En

t les vitesses en fonction des concentrations sur un dia-e lg-lg, on observe que les points exprimentaux salignent

t 2 ou 3 portions de droite (Dahlstrom, 1980). Pour chaque nt de droite, on dfinit un coefficient

n

, qui est la pente de ce nt de droite, et une constante

k

que lon obtient en faisant

a surface unitaire

S

u

(m

2

t

1

j

1

) est calcule par

tir de la tration

C

s

de la sous-ver

se (t/m

3

) selon lexpression

:

(37)

surface doit tre corrige par un coefficient tenant compte auteur des boues lors de lexprimentation en laboratoire et te.

Comparaison des diffrentes mthodes de dtermination de la surface

comparaison a t faite par P

earse (1980) entre les diffrentes des pour le calcul des surfaces unitaires en les appliquant osphates et des kaolins floculs (tableau

3

). Il apparat que les

ts des 3 premires mthodes sont trs homognes. Cepen-a pratique montre que la mthode de Talmage et Fitch sures- surface de lpaississeur, alors que la mthode de Coe et ger la sous-estime.

5.3.6

Dtermination de la hauteur et du volume

Dans le cas des suspensions concentres pour lesquelles la fl

ocu-lation est pratiquement immdiate et la sdimentation rapide, la hauteur du dcanteur nintervient pas, la diffrence des suspen-sions dilues. Le dcanteur est relativement plat. Augmenter sa hau-teur et son volume naugmente gure la qualit de la surverse. On fixe donc environ 1 m la hauteur du liquide clair.

Par ltude de la courbe de sdimentation dans le domaine de la compression, on dtermine le temps de sjour moyen des boues (

t

m

) pour at

teindre la concentration finale souhaite. On en dduit le volume de boue VB et la hauteur hB qui doit tre au maximum gale 1 m. Si hB est suprieur 1 m, on recalcule une nouvelle sur-face S.

cette hauteur hB il faut ajouter la hauteur correspondant la zone C, dite zone de transition (figure 7), que lon prend gale 0,60 m, et une hauteur supplmentaire dfinie par le constructeur pour tenir compte de la prsence des rteaux entranant les sdi-ments vers lorifice de dcharge de la sous-verse.

Il faut toutefois noter que, avec des boues hautement flocules, la hauteur de la zone de compression doit tre plus leve que celle donne par la courbe de sdimentation. Kos (1979) dcrit une mthode permettant dvaluer cette zone de compression, mais elle nest pas standardise ; seuls des tests pilote ou grande chelle donnent des rsultats valables.

5.3.7 Coefficients correcteurs

Les avis sont trs partags sur les coefficients correcteurs appli-quer la surface du dcanteur (S ). Le dimensionnement fait appel lexprience des constructeurs. On majore gnralement dun coef-ficient multiplicateur de 1,25 1,5 les surfaces unitaires calcules par la mthode de Coe et Clevenger. Pour les dcanteurs de diam-tre suprieur 15 m, on prend un coefficient de 1,3 1,35. Ce coeffi-cient peut atteindre 1,5 pour les petits paississeurs.

Pour les valeurs de S obtenues avec les mthodes rcentes, on applique un facteur moyen de 1,2 de faon empirique. Toutefois, si lon recherche plus de rigueur, il faut prendre en considration la dilution De de la suspension lentre et sa dilution au point de compression Dc. Les coefficients correcteurs sont donns dans le tableau 4.

10 Courbe de sdimentation montrant les constructions ann et de Talmage et Fitch (Suttill, 1991)

ty tB

c

Temps de sdimentation

Courbe de sdimentation

Courbe d'Oltmann

Droite de Talmage et Fitch

Sun 1 n( )n 1

kn----------------------------------- C s

n 1=

des phosphates et des kaolins floculs

Mthode Phosphates Kaolins floculs

Coe et Clevenger................... 0,86 0,30

Oltmann................................. 0,90 0,29

Wilhelm et Naide................... 0,96 0,30

Talmage et Fitch.................... 1,29 0,43

Tableau 4 Valeurs des coefficients correcteurs en fonction de la dilution de la suspension lentre du dcanteur (De)

Dilution, De Coefficient correcteur

De < 1,7 Dc Pas de coefficient correcteur

1,7 Dc < De < 3 Dc 1,05

3 Dc < De < 4 Dc 1,15

De > 4 Dc 1,30Ce document a t dlivr pour le compte de 7200056728 - areva // nc BIBLIOTHEQUE INSA // 197.31.112.26

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DcantationAspects thoriquespar Pierre BLAZYEl-Ad JDIDet Jean-Luc BERSILLON1. Gnralits1.1 volution1.2 Principe de la dcantation statique1.3 Domaines technologiques dapplication1.4 Caractristiques des suspensions1.5 Place de la dcantation dans les oprations de sparation liquide-solide

2. Vitesse de sdimentation des particules dans un liquide2.1 Suspensions dilues2.1.1 Particules isoles(1)(2)avechf

< 10-410-4 11 1010 102102 103103 2 105La loi de Stokes ne sapplique pas, car le mouvement des particules est influenc par le mouvement brownien24/Re26/Re0,7720/Re0,654,92/Re0,3460,440,545(rs - rf )hf-1d 20,57(rs - rf )0,814 hf-0,625 d 1,4390,73(rs - rf )0,741 hf-0,481 d 1,2221,81(rs - rf )0,604 hf-0,209 d 0,8135,40(rs - rf )0,5 d 0,5Rgime laminaireRgime de transitionRgime turbulent2.1.2 Particules flocules

Graviers.....................Sables........................Sables fins.................Argiles.......................Bactries....................10 0001 0001001011 s10 s2 min2 h8 j2.2 Suspensions concentres2.2.1 Vitesse limite de chute(3)(4)(5)

2.2.2 Temps de sjour(6)(7)avecC0Ckt

3. Dtermination exprimentale des vitesses de sdimentation3.1 Comportement dune suspension en prouvette3.2 Courbes de sdimentation(8)(9)(10)(11)(12)lg (h - h. ) = k (t - tc ) (13)

4. Thorie de la sdimentation(14)h = h0 + v (C)t (15)h = v (C)t (16)G = UC (17)dG = - vdCh (18)(19)(20)

5. Procdure de dimensionnement des dcanteurs5.1 Gnralits5.2 Suspensions dilues(21)(22)(23)(24)Ulim > UH (25)avecSHUH = Q /SH

5.3 Suspensions concentres5.3.1 Mthode de Coe et Clevenger= (D - DB)Ms (26)(27)avecSrf

G = C [U + Us ] (28)(29)(30)avecQBS

(31)(32)(33)

5.3.2 Mthode de Talmage et Fitchh0 C0 = hB CB (34)(35)

5.3.3 Mthode de Oltmann(36)

5.3.4 Mthode de Wilhelm et Naide(37)

5.3.5 Comparaison des diffrentes mthodes de dtermination de la surface

Coe et Clevenger...................Oltmann.................................Wilhelm et Naide...................Talmage et Fitch....................0,860,900,961,290,300,290,300,435.3.6 Dtermination de la hauteur et du volume5.3.7 Coefficients correcteurs

De < 1,7 Dc1,7 Dc < De < 3 Dc3 Dc < De < 4 DcDe > 4 DcPas de coefficient correcteur1,051,151,30

Liste des mots clsSituation de larticle N de trait : 45 N de rubrique : 49 N de sous-rubrique : 05 N de volume : J2II

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