ARTICLETECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR Techniques L’expertise technique et scientifique de référence de l'Ingénieur p2645 j3450 Spectrométrie Décantation de masse - Aspects - Principe théoriques et appareillage Date de publication : 12/09/2014 10/03/1999 Par : Guy BOUCHOUX Pierre BLAZY Professeur Professeur àà l’université Paris XI l'Institut National (Orsay), École Polytechnique de Polytechnique, DCMR, Lorraine (INPL), Palaiseau Directeur du Centre de Recherche sur la Valorisation des Minerais (CRVM)Laboratoire Environnement et Minéralurgie Michel (LEM) ? SABLIER CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL) Chargé de recherches au CNRS, École Polytechnique, DCMR, Palaiseau El-Aïd JDID Guy BOUCHOUX Docteur ès Sciences, Ingénieur de Recherche au CRVM, LEM ? CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL) Professeur à l’université Paris XI (Orsay), École Polytechnique, DCMR, Palaiseau Jean-Luc BERSILLON Doctor of Philosophy, Professeur à l'INPL ? LEM UMR 75-69 (ENSG-INPL) Michel SABLIER Chargé de recherches au CNRS, École Polytechnique, DCMR, Palaiseau Cet article fait partie de la base documentaire : Mesures -de Procédés Analyses traitement des eaux potables, industrielles et urbaines Dans le pack : Technologies Mesures - Analyses de l'eau et dans l’univers : Technolgies de -l’information Environnement Sécurité Cet article peut être traduit dans la langue de votre choix. Accédez au service Traduction à la demande dans votre espace « Mon compte ». (Service sur devis) Document délivré le : 23/06/2014 07/10/2015 Pour le compte : 7200100403 -- techniques 7200092269 ingenieur // marie LESAVRE // cerist // 193.194.76.5 217.109.84.129 Pour toute question : Service Relation clientèle - Techniques de l’Ingénieur 249 rue de Crimée - 75019 - Paris par mail
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Doc..............................................................................................cerist // 193................................................1 Suspensions diluées.............................. — 10 Pour en savoir plus ............................. — 4 2.....................................2 Suspensions concentrées ....................................... — 9 5................................................................. — 9 5....... — 5 3............1 Généralités ......................................................... — 8 5.......................6 Détermination de la hauteur et du volume........ — 7 5...............2.................................................... J 3 452 a décantation est une opération unitaire..........4 Caractéristiques des suspensions ....................................Décantation Aspects théoriques par Pierre BLAZY Professeur à l’Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) Directeur du Centre de Recherche sur la Valorisation des Minerais (CRVM) Laboratoire Environnement et Minéralurgie (LEM) − CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL) El-Aïd JDID Docteur ès Sciences Ingénieur de Recherche au CRVM.....................1 Évolution ............... Procédure de dimensionnement des décanteurs........................................2 1..................... traité Génie des procédés J 3 450 − 1 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 ................................................................... — 5 3.....194.................................................. qui consiste à séparer d’un liquide les particules en suspension en utilisant les forces gravi- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite...................3..................................3 Méthode de Oltmann..................... — 2 1..... Généralités..................................... Théorie de la sédimentation . — 4 2........7 Coefficients correcteurs....3...................2 Principe de la décantation statique .................................................................... Vitesse de sédimentation des particules dans un liquide ... — 7 5........................................... — 3 2...3...........3. — 4 3.1 Vitesse limite de chute.............................................................3................ — 10 5.... — 5 4.......................................... — 9 5..........................................................1 Comportement d’une suspension en éprouvette .................................... — 9 5.....................................5 ..............1 Méthode de Coe et Clevenger .............................5 Place de la décantation dans les opérations de séparation liquide-solide ....................................1............1......3 Suspensions concentrées ..2 Temps de séjour.......... — 2 1... LEM − CNRS UMR 75-69 (ENSG-INPL) et Jean-Luc BERSILLON Doctor of Philosophy Professeur à l’INPL − LEM UMR 75-69 (ENSG-INPL) 1...................1 Particules isolées ..............................................2 Méthode de Talmage et Fitch ...........................76....... — 10 5.................................................3 Domaines technologiques d’application ........................................2 Particules floculées ............... — 3 2............. — 2 1...........4 Méthode de Wilhelm et Naide ..... — 3 2..... — 6 5............. — 3 2.. demande la clarification de débits importants de suspensions une mine d’or du Dakota du Sud. et tout particulièrement le traitement des liquides en opération continue. 1. On distingue les cas suivants (Dahlstrom et Fitch. On doit. Ceux-ci étaient évacués car les pulpes sont en général relativement concentrées. qui conditionne la surface unitaire est réalisée avec ou sans addition d’un agent floculant à la suspen- des appareils (m2 · t−1 · h−1) . mentation la plus lente et les boues en résultant sont moins char- gées en solides que lorsqu’il s’agit de particules grossières . sans créer de turbulence. et celui des Bien que la décantation fut utilisée de tout temps pour la clarifica. il faut qu’elles paux sont : puissent sédimenter dans un courant ascendant de liquide.cerist // 193. sion diluée. — la concentration en solides. ce n’est qu’au début du XXe siècle deux grands domaines. destiné à la clarification des suspensions diluées. Pour breux facteurs régissent la séparation solide-liquide. domestiques et industrielles). ■ La sédimentation des flocs résultant de la collision des particules.194. La sédimentation est réalisée sur différents types de matières solides en sus- pension. dont les princi. en utilisant l’effet du courant ascendant.76. Toutefois. les solides sédimentés. et celui des particules plus ou moins floculées.5 . qui ont des vitesses de chute variables. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. On peut aussi effectuer une séparation granulométrique ou hydrosépara- — la taille des particules solides et leur distribution tion. mais pour épaissir les boues. les fines particules granulométrique : les particules les plus fines ont la vitesse de sédi. On doit Parution : mars 1999 .Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . le principe est connu depuis fort longtemps puisque le premier brevet a été déposé aux États-Unis en 1886. fonction de la taille des flocs et de leur abondance. qui influent sur la vitesse de sédimentation. et la vitesse individuelle de sédimentation le liquide clarifié (surverse ou surnageant ou liquide clair). et par le temps de séjour. chaque particule est suffisamment éloi- verse ou boues) et que l’on recueille simultanément et séparément gnée de sa voisine. un décanteur liquide-solide con. d’autre part. Ce décanteur consistait en une grande cuve circulaire. traité Génie des procédés tiwekacontentpdf_j3450 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . C’est la raison pour un grand nombre d’industries tout au long du XXe siècle. diluées. la forme et les caractéristiques superficielles des solides et cours de sédimentation.1 Évolution La technologie de la sédimentation s’est perfectionnée principale- ment dans deux domaines très différents : le traitement des eaux (naturelles.2 Principe de la décantation statique Les particules peuvent sédimenter selon des régimes différents du fait que le comportement de chaque particule est influencé à la fois par la dilution de la suspension et par les interactions entre les particules. décroît à mesure que la dilution de la suspension augmente. La vitesse du courant ascendant est alors le la viscosité du liquide. appareil : il s’agit du décanteur lamellaire. 1.76. La théorie de la décantation et la procédure de dimensionnement des appa- reils tiennent compte de ces considérations. Le procédé s’éten. Elle est continue quand ■ La sédimentation individuelle est réalisée pour des dilutions on extrait en permanence les matières qui se sont déposées (sous. importantes. un nouvel suspensions concentrées ou pulpes. facteur principal régissant la clarification. laquelle on est amené à considérer les suspensions diluées et les Dans les années 70 est apparu. En minéralurgie. la situation est tout autre.5 DÉCANTATION ________________________________________________________________________________________________________________________ taires. étant alors évacuées avec le débordement du décanteur. On assiste alors à une clarification progressive et il n’y — la différence entre les masses volumiques du solide et du a pas d’interface nette entre le liquide surnageant et les particules en liquide.5 par un orifice de décharge. 1985). Les procédés mis en œuvre diffèrent selon que l’on recherche seulement à augmenter la concentration des solides (épaississage) ou que l’on vise à obte- nir un liquide clair à partir d’une suspension diluée (clarification). La décantation statique fait appel à la sédimentation de particules solides dans un liquide. les critères de choix des dimensions et de que la concentration des minerais dans des laveries de grande capa. En effet. en série sur le marché. le traitement cité a rendu nécessaire de séparer de grands débits de solides et de des effluents liquides.cerist // 193. J 3 450 − 2 © Techniques de l’Ingénieur.3 Domaines technologiques d’application 1. de sorte qu’un pouvoir disposer d’une surface suffisante pour la décantation et liquide clair débordait à la périphérie de la cuve. De nom. Généralités 1. qu’il y ait décantation des particules les plus fines. dans eaux. qui décantent indépendamment les unes des autres.194. Dans ces tion des eaux de consommation. rechercher non seulement une surface tinu. Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . En 1906. bien que la clarification soit conditionnée par la floculation mouvement rotatif lent.cerist // 193.4 Caractéristiques des suspensions 1. pulpes en minéralurgie et hydrométallurgie. qui entraînait. parmi lesquelles on peut distinguer deux comportements opposés : celui des particules grenues. capacité des appareils ne sont pas les mêmes. Dorr a mis en œuvre.76. qui est habituellement de l’eau ou une solu- tion aqueuse. Dans ce cas.194. dont le minimale pour la décantation des particules mais aussi un volume fond en pente était muni d’un mécanisme de raclage animé d’un minimal. d’un volume suffisant. d’une part. non pour floculer les particules solides de la dit à pratiquement toutes les usines de traitement de minerais et à suspension. rieure de l’appareil. qui comporte des cloi- sons inclinées. vers la pointe centrale infé. cependant. sous l’action de la pesanteur. Dans le cas d’une particule sphé- rique de diamètre d. On obtient alors une structure intrinsèque de la sédimentation. chacune pression qui entraîne l’expulsion du liquide et favorise ainsi l’aug.5 Place de la décantation la forme et du nombre de Reynolds (Re) de la particule. en minéra. fonction de sa masse volumique ( ρs ). fonction du carré de la vitesse relative du solide par rapport au fluide. — la poussée d’Archimède. où les suspensions de départ relation : sont extrêmement diluées. est constante pendant un certain temps.5 %. en traitement des eaux. dans un liquide La valeur inférieure du domaine de validité de la loi de Stokes (Re < 10−4) correspond à la distinction que font les exploitants de la La théorie de la sédimentation de solides fins dans un liquide. qui décantation entre une « particule » et un « colloïde ». cependant. Ce phénomène peut se traduire à forces : l’interface « liquide clair − pulpe » par le dégagement de bulles. traité Génie des procédés J 3 450 − 3 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . La vitesse de déplacement de cette interface parfois très lente.________________________________________________________________________________________________________________________ DÉCANTATION ■ La sédimentation globale résulte de la sédimentation d’une sus. Et le nombre de Reynolds de la particule s’exprime par la Par contre. de bas en haut. ou par un traitement biologique. du maître-couple (surface de la pro- jection. une particule atteint une vitesse limite de chute (Ulim). — les forces de frottement. d’entre elles sédimente comme si elle était isolée dans le liquide. La pulpe épaissie est ensuite filtrée pour obte. et exceptionnellement à 98-99 %. une interface nette entre le liquide surnageant et la masse boueuse peuvent être concentrés par sédimentation. La plupart des matériaux en sus- plastique et il se produit une sédimentation d’ensemble présentant pension dans un liquide sont naturellement floculés et. dans les opérations de séparation liquide-solide Après un certain temps de chute accélérée. de son résultat final est un épaississement plus rapide de la pulpe. cette vitesse est donnée par la relation suivante : La séparation liquide-solide ne peut en aucun cas être totalement assurée par la seule opération de décantation. Un séchage ultérieur conduit à un produit final à 95 % de solides. Les solides résul. con. fonction du nombre de Reynolds de la particule. Par- fois. La subsidence de Lorsque la concentration en volume des solides en suspension chaque couche est ralentie par le comportement mécanique des est inférieure à 0.1 Particules isolées ■ La sédimentation en compression prend le relais du régime pré- cédent quand la structure de la pulpe devient suffisamment com- pacte pour développer une force de compression. la décantation permet d’obtenir une pulpe épaissie à 55-65 % U lim = ---------. manière continue et le classement qui vient d’être proposé constitue une simplification pour mieux les caractériser. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. Il se forme alors dans le fond du décanteur une 2. © Techniques de l’Ingénieur. U lim ρ f d tiennent 5 à 10 % en masse de matières sèches. obéit à la loi de Stokes. en se rapprochant du fond du décanteur elles sont gênées dans leur mouvement et leur vitesse de chute diminue. Vitesse de sédimentation délimiter plusieurs domaines en fonction de la valeur de Re. En pratique. Certaines pulpes présen- tent des mouvements locaux intermittents de liquide. avec ηf viscosité dynamique du fluide. il prend naissance dès le régime de sédimentation globale. montre que la vitesse de chute d’une parti.cerist // 193. bien que celle-ci soit qui décante en piston. (2) tants sont très hydrophiles et seul un pressage conduit à des ηf « gâteaux » contenant au maximum 30 % de solides.76. 3C x ρ f nir un gâteau à 80-90 % de solides. qui varie en fonction de 1. lors de la sédimentation en compression. Les résultats de nombreux travaux expérimentaux ont conduit à 2. Cette zone correspond à l’épais- sissage des boues.1 Suspensions diluées zone de concentration supérieure à celle voisine de l’interface et dont la hauteur va en augmentant. ■ La sédimentation hétérogène correspond à un régime particulier un régime de transition et un régime turbulent ou régime de New- où des perturbations interviennent dans la séparation des phases ton.5 . tout phénomène susceptible d’augmenter le (agitation thermique). Elle est généralement une combinaison de plusieurs méthodes. 2. La volume et de l’accélération gravitaire (g ) . égale à πd 2/4 pour une sphère de diamètre d ) et du coeffi- cient de traînée du solide dans le fluide (Cx ). Cette vitesse est entre la particule et le liquide et au carré de la dimension de la parti. nature exacte des mécanismes mis en jeu est mal connue. de ce fait. Les particules gardent les mêmes positions relatives. comme le montre le tableau 1. chaque couche étant soumise à une com. il existe trois régi- mes de sédimentation : un régime laminaire ou régime de Stokes. en fonction de Cx. Par exemple. ou de suspen- Dans un fluide. Le — son poids. En mentation de la concentration en solide.– 1 g (1) de solides en masse. du volume du solide et de l’accélération (g ) . ment éloignées les unes des autres et que.194. un solide en mouvement libre est soumis à trois sion diluée. les particules de dimension inférieure au micromètre ont des vites- cule est proportionnelle à la différence des masses volumiques ses limites de sédimentation inférieures au µm/s. les boues obtenues par décantation après coagulation-floculation. qui donne également les relations exprimant des particules la vitesse limite de chute des particules pour chaque domaine.1. En conséquence. de sorte que la floculation est devenue une partie contact avec des entités adjacentes. de ce fait. 4d ρ lurgie. Re = ----------------------- . fonction de la masse volumique du Il faut noter que la transition entre les différents régimes se fait de fluide ( ρf ). du même ordre de grandeur que celle de la diffusion brownienne cule. ----s. diamètre des particules favorise la sédimentation de façon très pension concentrée au point que chaque particule ou floc soit en significative. on considère que les particules sont suffisam- couches sous-jacentes. .cerist // 193. — un tassement à vitesse décroissante..40(ρs − ρf )0. En ce qui concerne les lois de sédimentation.77 0...2 Suspensions concentrées de type Van der Waals. mon. Les donnent alors des microflocs..5 particules. mative de la vitesse limite de chute des particules en suspension — une décantation « en piston » de cette interface.. d’après la loi de Stokes (Degrémont.194..... prétraitements ou par des pulsations permettant une meilleure flo- culation. obtenues d’après la loi de Stokes. Elle peut être naturelle ou provoquée par l’ajout de (> 0.....Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 ..5 %). 1989) En régime laminaire (Re < 1) et en milieu newtonien.545(ρs − ρf )ηf−1d 2 Régime laminaire 1 à 10 26/Re0.545 ----------------------------------------------------------------------- .2 Particules floculées masse volumique ou.. il faut faire régie par l’énergie dissipée dans le volume occupé par un liquide de intervenir la masse volumique et la viscosité équivalente de la sus- viscosité donnée...814 ηf−0.....604 ηf−0.. traité Génie des procédés tiwekacontentpdf_j3450 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 .... La seconde phase est particulièrement importante. sur la géométrie des écoulements. pension... pour une suspension floculée.. pour calculer la vitesse de sédimentation... Enfin..57(ρs − ρf )0. 1 000 10 s ν m = ν f --------------------------- ...5 Régime turbulent 2....65 0.. la décantation tubulaire ou lamellaire [J 3 451]. Pour faciliter le passage de la première phase à la deuxième La vitesse de floculation est fonction de la concentration en soli- phase... on obtient la valeur approxi- — la formation d’une interface plus ou moins bien marquée . appelée par convention ( ρ s – ρ f ) ( D – D lim )d 2 phase de compression des boues. (5) [ ( 1 ⁄ D ) + ρf ] [ D + ( 1 ⁄ ρs ) ] νf La première phase correspond à une floculation de la suspension..76.. car c’est dans ce Dans le cas des particules floculées..194. La déstabilisation de la suspension de très fines particules revient donc à diminuer les forces de répulsion élec- Dès que la concentration volumique en solides devient élevée trostatiques.. il est possible d’agir sur le diamètre des particules. en remplaçant.cerist // 193. 1 8j D + ( 1 ⁄ ρs ) avec D et Dlim..209 d 0..813 103 à2 105 0...81(ρs − ρf )0.....2..625 d 1. lorsque les forces répulsives. la décantation se sement).. Théori- par la diffusion brownienne... boues ou à recirculation de boues.76.. (3) D – D lim Sables fins...76. car le mouvement des particules est influencé par le mouvement brownien 10−4 à 1 24/Re 0. (4) Bactéries. puis des flocs ou flocons volumineux..222 102 à 103 4. réactifs chimiques (coagulants et/ou floculants). on peut Diamètre Temps de décantation admettre que la viscosité cinématique équivalente d’une suspen- Type de particules (µm) pour 1 m d’eau sion (νm) et sa masse volumique (ρm) s’expriment approximative- ment à partir de celles du liquide (νf et ρf ) suivant les relations : Graviers. à une vitesse concentrée....44 5. Les fines particules La sédimentation est gênée et la vitesse de décantation freinée. on se rappro- che alors des suspensions concentrées.741 ηf−0... Pour ce faire. comme d’ailleurs dans le cas des En remplaçant ρf par ρm et νf par νm dans l’équation de la loi de suspensions concentrées : Stokes en régime laminaire (tableau 1)......92/Re0. les interactions entre particules ne sont plus négligeables.. créant ainsi un gradient de vitesse. où la décantation est souvent assistée par des pondant au début de compression.. les techniques mises en œuvre sont la décantation en lit de Si l’on considère les temps de décantation de particules isolées. la dilution corres- teurs à lit de boues.5 DÉCANTATION ________________________________________________________________________________________________________________________ Tableau 1 – Vitesse limite de chute des particules sphériques en fonction du nombre de Reynolds Re Cx Ulim Domaine < 10−4 La loi de Stokes ne s’applique pas...5 ... Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 ... 10 000 1s D + ( 1 ⁄ ρs ) Sables...2 Temps de séjour correspond à l’épaississement des boues.. 2.194. enfin. J 3 450 − 4 © Techniques de l’Ingénieur.. la décantation de flocs lestés et les données du tableau 2. la valeur de Ulim est obtenue domaine de concentrations de particules que travaillent les décan. trent que les propriétés de surface deviennent primordiales pour les particules ultrafines. tandis que la formation des flocs est quement.5 d 0. U lim = 0..... déroule suivant plusieurs phases...1....cerist // 193. 100 2 min Argiles. dilutions (volume du liquide par unité de masse de solides) de la suspension et de la boue en fin de sédimentation (tas- On constate que.73(ρs − ρf )0... soit : régulière .346 1. dues à des charges électri- ques superficielles.. Dlim par Dc .. sur leur des et la vitesse de décroissance de la concentration en matière flo- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.439 Régime de transition 10 à 102 20/Re0.2.. L’interaction entre les particules induit leur agrégation. particules adhèrent entre elles et la masse décante en piston avec qui sédimentent facilement. La formation des microflocs est régie une interface nette entre les boues et le liquide surnageant.1 Vitesse limite de chute Tableau 2 – Temps de sédimentation pour différentes Parution : mars 1999 . 10 2h D ρf + 1 ρ m = --------------------------- ..481 d 1. sont contrebalancées par des forces attractives 2. la dernière phase 2. respectivement.... dans la relation (5). ensuite. Détermination Temps de sédimentation t expérimentale des vitesses Figure 2 – Allure générale d’une courbe de sédimentation de sédimentation Toutefois. (11) dans une éprouvette S ( tb – ta ) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.1 Comportement d’une suspension décanter ne contient pas de particules ou de flocons ultrafins.76. en traçant la variation de la hauteur h de l’interface séparant le liquide clair de la suspension. 1981) : Hauteur de l'interface h dC − -------. on étudie le comportement de la suspension en sédimentation. on observe les phénomènes sui. (10) tb – ta d zone intermédiaire Vb – Va Figure 1 – Évolution de l’aspect d’une suspension en sédimentation ou U = ------------------------- . © Techniques de l’Ingénieur. Après avoir versé la pulpe à décanter dans une éprouvette cylin- drique de section S. il n’y a plus d’interface nette et on ne peut plus parler de — au départ les gros grains sédimentent rapidement et se dépo. c Domaine II t temps de séjour. et qu’il y ait en présence une assez grande quantité de flocons et de en éprouvette particules équitombantes.5 % en volume). traité Génie des procédés J 3 450 − 5 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 .– -----.cerist // 193. (8) b dt c c dV ou U = − ---------. (9) Sdt d d La courbe présente quatre domaines : d d — domaine I : il correspond à la durée initiale de floculation et est a a a a souvent inexistant si la floculation est rapide . et l’on a : b b dh U = − ------. 1 1 ---.= kt (7) C C0 avec C0 concentration initiale en solides de la b Domaine I suspension. augmente rapidement et se stabilise après la décantation des sables de dimension supérieure à 0.________________________________________________________________________________________________________________________ DÉCANTATION culée est proportionnelle au carré de cette concentration (Rivet.5 . L’interface est d’autant plus nette que la vitesse de chute sous l’interface est faible. il apparaît rapidement.= kC 2 (6) dt a soit après intégration. celle- a grosses particules ci s’écrit : b liquide clair hb – ha c zone de même aspect que la suspension initiale U = ------------------ . Domaine III Domaine IV 3. ou la variation du volume V. — domaine II : c’est le domaine où les flocs commencent à se ras- i état initial de la suspension homogène sembler en flocons et la vitesse de décantation est constante . La 3. de sorte que la concentration en solides sous cette interface soit assez élevée. k constante de floculation. une interface entre un liquide clair (zone b) et une phase boueuse. et parfois immédiatement. La vitesse de sédimentation est représentée à tout b moment par la tangente à la courbe au point d’abscisse t.194. en fonction du temps écoulé depuis le début de la décan- i tation (figure 2). il ne peut y avoir d’interface que si la suspension à 3.1 mm . c’est-à-dire Si l’on verse dans une éprouvette une suspension de concentra. Dès que la dilution de la tion suffisante (> 0. La hauteur de cette zone ques des suspensions diluées). que la concentration en solide est élevée.2 Courbes de sédimentation phase boueuse peut être elle-même divisée en deux parties : une partie supérieure conservant l’aspect de la suspension de départ (zone c) et une zone inférieure d’aspect intermédiaire (zone d ). C concentration en solides au temps t. vitesse de décantation d’interface (on retrouve alors les caractéristi- sent sur le fond de l’éprouvette (zone a). suspension au départ dépasse de 8 à 10 fois celle du début de com- vants (figure 1) : pression. interviennent les actions per. on assiste à un ralentissement progressif de la nectés pour donner des canaux . tation de suspensions floculées selon trois domaines de concentra.cerist // 193. III et IV de la représentation schématique des centration en solide.. Le point de compression c peut également être déterminé par la méthode de Roberts (figure 3). le flux (ou nombre) de particules qui ont traversé ce niveau est égal à (v + U)C. yy Hauteur h 10 8 Type 1 Type 2 Type 3 10 6 b a. les vitesses de chute sont constantes. de même concentrations dans un décanteur-épaississeur (Perry et Chilton.. yy 2 a 2 b 1 1 a 1 2 4 6 8 10 0 1 2 3 4 5 6 7 .5 assez nettement le point c et parfois le point b. traité Génie des procédés tiwekacontentpdf_j3450 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . la tendance à donner des canaux diminuant couches voisines du fond passent par toutes les concentrations avec une concentration croissante.76. à partir d’essais en éprouvette. sa vitesse de déplacement diminue et la courbe de sédimentation s’infléchit pour devenir asymptotique à une droite parallèle à l’axe des abscisses.194. qui fait intervenir la dilution : Ainsi. comprises entre la concentration initiale C0 et celle correspondant Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 .76. par rapport à l’éprouvette. Le liquide contenu est évacué à travers la masse des sédiments suivant les vides créés par ces pseudoréseaux et à la suite de glisse- ments des couches de boues. elle correspond à la décantation des suspensions pour Les droites d’isoconcentration situées dans ce triangle traduisent 1 la montée à travers la suspension à la vitesse v (C). et à leur dépla- dD -------. ou zone de sédimentation.76. Figure 4 – Courbes typiques de sédimentation de suspensions — domaine IV : à partir du point c. J 3 450 − 6 © Techniques de l’Ingénieur.194.. ou zone de consolidation.5 . Dans le triangle ab0. rencontre la de la sédimentation limite supérieure de cette zone. les éléments solides isolés et floculées les flocons sont en contact et forment des pseudoréseaux semi-rigi- des. et les lignes d’isoconcentration consti- tuent dans le triangle b0c un faisceau de droites passant par l’ori- — la zone de type 3.= v ( C ) (14) dt d’où lg (h − h∞ ) = k (t − tc ) (13) avec v (C) vitesse de déplacement d’un plan de concentration Kos (1980) observe qu’il existe trois types de courbes de sédimen.y t t Figure 3 – Représentation lg-lg et semi-lg (Roberts) d’une courbe 0 0 0 0 de sédimentation Temps a Pulpes minérales b Boues Suspension sous forme de flocs séparés — domaine III : à partir du point b. b b . les dit de compression. Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . Quand l’interface. Elle est une fonction décroissante de la con- ment les domaines II.5 DÉCANTATION ________________________________________________________________________________________________________________________ yy ..cerist // 193. — la zone de type 2. dans son mouvement descendant.= k ( D – D ∞ ) (12) cement dans le temps (figure 5). Les particules de même dimension. Dans le tronçon bc.194. ce qui signifie que dès le démarrage de la décantation. qui propose la théorie suivante : la vitesse de chute de particules rigides Une construction graphique lg-lg (figure 3) permet de déterminer en sédimentation libre ne dépend que de la concentration locale en Parution : mars 1999 . d’un niveau de lesquelles la concentration C0 est comprise entre Cc et --. pour Ca < C < Cb : — la zone de type 1. Leur tion (figure 4) : équation s’écrit. correspondant au phénomène proprement gine. est une zone inter- médiaire et correspond à la formation de pores grossiers intercon. dh ------. solide de la suspension. dilution finale. La modélisation de la sédimentation est due à Kynch (1952). Ce point est souvent mal défini sur la courbe .Cc (Cc étant concentration C à travers lequel les particules sédimentent à la 3 la concentration des boues au point de compression c ) . où l’on observe le h = h0 + v (C)t (15) déplacement vers le haut des flocs déposés sur le fond de l’éprouvette . Théorie compression et le point c est le point de début de compression. Au temps t. vitesse de chute du dépôt. Le domaine IV est appelée zone de 4. Kynch trace dans le dia- gramme (h. yy 8 6 4 c 4 c b . vitesse U(C) = − dh/dt. Sédimentation Consolidation Compression h – h∞ . concentration est uniforme pour chaque niveau de la colonne de sédimentation. constante (C). On retrouve spatiale. La pente de ces droites est donnée dt par la relation : avec D∞ . t ) les droites d’isoconcentration correspondant aux niveaux où la concentration a une valeur C donnée.cerist // 193. forme et de même masse volumique sont équitombantes et leur 1973). Suspension sous forme d'un milieu poreux turbatrices entre les flocons et les particules. la courbe de flux de dimensionnement permet de déterminer un flux critique ou flux limite GL. continu pour les opérations d’épaississage et pour les suspensions la conservation de la matière s’exprime par l’équation : floculées. dont la structure plus ou moins lâche confère une masse volumique tion de G avec h fait que la concentration doit aussi varier et l’on a : telle qu’un floc peut sédimenter plus lentement que les particules dG = − vdC h (18) individuelles. Kos. les particules sont en contact les unes avec les de particules détermine la concentration en solide. 1995). il existe d’autres modèles basés sur ∂t ∂h diverses théories décrivant l’écoulement de liquide à travers un Ou encore en tenant compte de (18) : milieu poreux déformable (Michaels et Bolger.76. ce qui implique l’existence d’une courbe de flux pour chaque suspension. 1957 .5 . 1963 . Dell et al. Il en résulte que.+ v ------. La suspension est de ce fait caractérisée. Jernqvist. 1974 . © Techniques de l’Ingénieur. La surcharge 5. h Flux de sédimentation a b GL c d Us 0 Temps de sédimentation. et inversement il autres . (19) de solides interconnectés. 1955 . l’interface boue/suspension monte lentement jusqu’au moment où les solides passent dans la surverse (Concha. s’expriment : Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. t C0 Cs Cmax Figure 5 – Courbe de sédimentation et droites d’isoconcentration Concentration locale (Kynch. Fitch. Shirato et al. 1995). obtenu en traçant la tangente à cette courbe à partir du point Cs. l’épaississeur travaille en clarificateur.. traité Génie des procédés J 3 450 − 7 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . les solides en excès s’accumulent dans le décanteur. La théorie de Kynch analyse donc les changements de concentra. 5. où la concentration est Ch à l’instant t.194. 1975 . par la simple relation entre U et C.. — dans la plupart des cas. 1964 et 1968 . où l’alimentation est Pour le dimensionnement des décanteurs. et postule qu’il n’existe qu’une Shannon et al. 1965 . Dans le cas contraire. Shin et Dick.1 Généralités d’un épaississeur est. la varia. Cependant. dans la réalité industrielle. — en général.. Shannon et Torry. dont la forme des courbes de sédimentation obtenues par des essais en éprouvette dépend de la consolidation de la matrice ∂C ∂G ------.cerist // 193. au temps t. 1987) font inter- de l’éprouvette.. les suspensions sont plus ou moins dont la relation s’exprime par : hétérogènes . Si on établit un flux supé- rieur à GL. un phénomène qui s’établit lentement et on peut tolérer en pratique une surcharge pen- dant quelques heures. Pour mieux rendre compte du processus de sédimentation en Et pour une couche d’épaisseur dh située au niveau h. Cu étant la concentration ultime du dépôt au fond (Hogg et al. est déterminé par celle-ci. les données de base très diluée. Kos ∂C ∂C et Adrian.= -------.________________________________________________________________________________________________________________________ DÉCANTATION Hauteur de l'interface. toute tentative de modélisation et de simulation de l’épais- sissage d’une suspension est-elle basée sur l’évaluation de la h = v (C)t (16) concentration maximale que l’on peut obtenir dans la sous-verse pour Cb < C < Cu . fond de l’éprouvette. 1962 . on se situe dans le domaine de la sédimentation G = UC (17) gênée.. Yoshioka et al. venir la résistance à la compression du sédiment déposé. dans tout le sédimentation en continu pour plusieurs raisons : domaine de concentration.. à n’importe quel niveau de l’éprouvette. 1977 et 1978). Certains auteurs (Buscall et al. ------. en traçant les courbes de flux G = f (C). 1966 et 1968 . même si au départ on pouvait considérer qu’elle était libre. une suspension monodisperse. En se plaçant à une hauteur h à partir du — la complexité du système est accrue par la formation de flocs. 1962 . 1952) Figure 6 – Courbe de flux de sédimentation au point du début de compression (Cc ). 1958. le flux En fin d’opération. concentration des décanteurs de la boue dans la sous-verse (figure 6). la théorie de Kynch et celles qui en dérivent (Talmage tion qui se produisent durant la sédimentation des particules dans et Fitch. 1970 . Hassett. L’équation de ces droites s’écrit : Aussi.= 0 (20) ∂t ∂h Il devient donc possible de comparer les modes de sédimentation pour des suspensions diluées et concentrées. ne s’appliquent pas rigoureusement aux phénomènes de solide (C). Procédure Dans une opération de décantation en continu. 1965 et seule vitesse de sédimentation (U) pour chaque concentration en 1966). J 3 450 − 8 © Techniques de l’Ingénieur.5 .194.5 DÉCANTATION ________________________________________________________________________________________________________________________ — en terme de volume de suspension à traiter par unité de sur- face et de temps (m3 · m−2 · h−1). d’atteindre le y. permet Q soit : U lim > ------.cerist // 193.Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . qui requiert de fournir une région dans laquelle le régime hydrodynamique est propice à la Figure 8 – Coupe schématique d’un décanteur à flux horizontal séparation solide-fluide . Or.194. superficielle) qui est donc indépendante de la rent une vitesse limite de chute donnée par la loi de Stokes.cerist // 193.76. Parution : mars 1999 . — zone B : la suspension a une concentration en solide relative- ment uniforme et les conditions de sédimentation libre sont prédominantes . Il est nécessaire d’opérer sur des échantillons représentatifs et à température constante.76. 1973) : — zone A : le liquide est clarifié et passe en surverse . et. c’est le cas des suspensions concentrées.. Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 .2) à laquelle on doit lier le temps de séjour . Uf De même. comme le montre la figure 7 (Perry et Chilton. dont la vitesse de chute est la plus faible. conséquent. Surverse Dans les deux cas. particules grenues faire deux conditions : particules floculées — la séparation proprement dite.2 Suspensions diluées L En clarification. La surface du décanteur doit être suffisante pour permettre à la particule. § 5.cerist // 193. — en terme de flux massique des particules à décanter par unité de surface et de temps (kg · m−2 · h−1). un décanteur est un appareil permettant de satis. gueur L si : La combinaison de ces deux conditions fait que le décanteur le plus simple est constitué d’une cuve parallélépipèdique munie U lim U f -----------. Par profondeur du décanteur. et la vitesse ascendante du Ulim Ulim liquide doit être inférieure à la vitesse de sédimentation de la parti- cule la plus lente (Suttill.> -----. (23) H HL Dans un décanteur à flux horizontal. les particules acquiè. (21) avec SH surface horizontale du décanteur.194. fond de l’appareil. caractérisant la quantité de . puisque la vitesse de chute varie suivant la zone où l’on se situe. Zone D Un décanteur travaillant en continu peut être divisé en quatre zones. on est amené à effectuer des essais en éprou- Zone A vette pour évaluer la vitesse de sédimentation. une particule est retenue par le décanteur de lon- teur. . Zone B face d’un décanteur à partir de la courbe de sédimentation obtenue par décantation d’une suspension dans une éprouvette d’au moins Zone C un litre de capacité. traité Génie des procédés tiwekacontentpdf_j3450 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . Figure 7 – Représentation schématique d’un décanteur à flux vertical y. toute particule dont la vitesse de sédimentation est supérieure à la vitesse ascendante du liquide est U lim Q retenue dans la sous-verse.> ----------- ----------. le débit de la surverse clarifiée doit être limité. yy matière en suspension à décanter . (22) d’une zone d’entrée et de deux zones de sortie (une pour la surverse H L et l’autre pour les boues). il est nécessaire que le volume soit suffisam- Zone de sortie Zone d'entrée Uf ment grand pour que la particule puisse passer d’une zone à l’autre. Alimentation c’est le cas des suspensions diluées . (24) d’obtenir une vitesse horizontale de transfert du fluide suivant la SH relation : ou : Ulim > UH (25) Q U f = ------. le débit (Q) qui traverse uni- formément le décanteur de profondeur (H) et de largeur ( ) . caractérisé par la charge hydrauli- que superficielle (cf.5 Zone de boues 5. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.. comme l’illustre la figure 8. — la gestion des flux de sous-verse et surverse après séparation. — zone D : la compression des solides force le liquide à sortir de l’espace interparticulaire. H UH = Q /SH vitesse de Hazen (ou charge hydraulique Dans la zone intermédiaire de décantation. Sous-verse — zone C : on se trouve en zone de transition où les conditions évoluent du régime de sédimentation libre au régime de compression . qui impose des contraintes géométriques à la conception du décan. 1991). en tenant compte de la relation (21) : Dans un décanteur à flux vertical.76. afin d’évi- y. yy . H ter toute turbulence dans l’appareil. Il existe plusieurs procédures empiriques pour déterminer la sur. 2 Dans une opération en continu et à l’équilibre. mentation. 3 Pour que l’opération soit satisfaisante. En con- séquence. Si D est le rapport massique liquide/solide. (figure 10). en régime continu. sachant que : S h0 C 0 = h B C B (34) Q on a : G = C U + -----B-. si la zone de clarification présente une profondeur insuf.5 .2 Méthode de Talmage et Fitch G = C [U + Us ] (28) Talmage et Fitch (1955) simplifient la méthode de Coe et Cleven- ger. il n’y a pas accumulation de soli. Q 1991).3 Suspensions concentrées Flux de sédimentation 5. le débit de la surverse est égal à la différence entre le débit de pulpe à l’entrée du décan- teur et le débit de la sous-verse extraite à la base du décanteur. Ms le débit massique de solide sec entrant.3. le flux solide traité. On trace l’horizontale au point hB correspondant à la Q U s = -------B (29) concentration de boues désirée CB . ty face unitaire est donc fonction de la concentration des solides dans S = -------------- . dite droite d’Oltmann (figure 10). DB la dilution de la sous- verse. courbe et le point c. en un Us point donné du décanteur-épaississeur. h0 C0 des dans l’appareil et l’on peut écrire : Cette méthode a les faveurs de la société Dorr-Oliver (Suttill. (32) d’ordonnée hB et la droite joignant le point d’ordonnée h0 de la 1 1 ---. et l’on a la relation : En considérant les flux de solide (Jernqvist. ou dilution. (36) la sous-verse et dans la suspension à l’entrée. © Techniques de l’Ingénieur. 1981).3 Méthode de Oltmann U On utilise l’abcisse t y du point d’intersection entre la droite G = ---------------. pée plus tard par Kynch. de valeurs comprises entre C et Cs et calculent G pour ces valeurs. et la surface du décanteur est donnée par la relation : verse. 1991) : Le flux de solide G que l’on peut traiter dans un décanteur de sur. qui sert à déterminer la surface du décanteur. en un point donné de l’épaississeur. il faut que la surverse de 1 l’appareil de décantation soit constituée d’un liquide clarifié. Mais puisque U est fonction de C et que l’alimen- ρf masse volumique du liquide. On écrit (Sut- C Cs till. la vitesse de sédi. G = C s -------B (31) S En combinant (30) et (31).cerist // 193. Il s’agit. sédimentation U.3. G (courbe 3 sur la figure 9). il vient : 5. (27) S ρf avec S surface de l’épaississeur. puisque : courbe de sédimentation. traité Génie des procédés J 3 450 − 9 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 .1 Méthode de Coe et Clevenger Bien que la méthode soit ancienne. (35) À l’équilibre.3. GL fisante. Coe et Clevenger déterminent U pour un certain nombre dépasser. (30) S On détermine graphiquement tB à partir de l’intersection de l’hori- zontale d’ordonnée hB et la tangente au point de compression c avec QB débit des boues extraites sous forme de sous. les fines particules peuvent être entraînées dans la surverse. 1965 et 1966 . et de la vitesse de h0 C0 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. la vitesse du courant ascensionnel ne doit pas verse Cs . Rivet. tation a une concentration C inférieure à la concentration de la sous- À l’équilibre. Us la vitesse de déplacement vers le bas de la boue dans son ensemble à la suite de l’évacuation de la sous-verse à la Cette constatation est en accord avec la théorie qui a été dévelop- base du décanteur.________________________________________________________________________________________________________________________ DÉCANTATION 5. On constate généralement que G passe par un minimum (Gmin). si C est la concentration en solide.194. la relation de Coe et Clevenger (1916) est couramment utilisée pour déterminer la surface néces- saire à mettre en œuvre pour assurer la sédimentation d’une pulpe. après avoir déterminé le point de compression c sur la Or.– -----. S surface du décanteur tB S = -------------- . résulte à la fois de la sédimentation des solides dans la suspension (courbe 1 sur la figure 9) et du déplacement global de celle-ci vers le bas (courbe 2 sur la figure 9) : 5. U la vitesse relative de MS sédimentation des particules par rapport à la suspension pour la S= (33) Gmin concentration C. le débit massique C0 CL Cs Cmax de liquide qui passe en surverse ( M ) est : Concentration locale M = (D − DB)Ms (26) 1 Flux de sédimentation 2 Flux de soutirage Et la vitesse ascensionnelle du liquide Ua s’écrit : 3 Flux total (= 1 + 2) ( D – D B )M s Figure 9 – Courbes de flux dans un décanteur travaillant en continu U a = ------------------------------ . de mener en ce point la tangente à la courbe.76. mais elle de Yoshioka (1955)... on détermine le temps de séjour moyen des boues (tm) pour atteindre la concentration finale souhaitée... traité Génie des procédés tiwekacontentpdf_j3450 Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . Ce coeffi- kn cient peut atteindre 1. et une hauteur supplémentaire définie par le constructeur pour tenir compte de la présence des râteaux entraînant les sédi- ments vers l’orifice de décharge de la sous-verse. De > 4 Dc 1.5 Cette méthode (Wilhelm et Naide.29 Wilhelm et Naide.76.2 de façon empirique.29 0.6 Détermination de la hauteur et du volume c Dans le cas des suspensions concentrées pour lesquelles la flocu- hB lation est pratiquement immédiate et la sédimentation rapide. Pour chaque 5. qui est la pente de ce segment de droite.cerist // 193. il faut prendre en considération la en pilote.. la hauteur du décanteur n’intervient pas.5 . On en déduit le Courbe d'Oltmann volume de boue VB et la hauteur hB qui doit être au maximum égale Droite de Talmage et Fitch à 1 m. dite zone de transition (figure 7)... gramme lg-lg... On majore généralement d’un coef- ficient multiplicateur de 1. on Cette surface doit être corrigée par un coefficient tenant compte applique un facteur moyen de 1... Cepen- 1..5 pour les petits épaississeurs.194. Les coefficients correcteurs sont donnés dans le tableau 4....194. La surface unitaire Su (m2 · t−1 · j−1) est calculée à partir de la quer à la surface du décanteur (S ).. 0..3.. Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 .5 les surfaces unitaires calculées par la méthode de Coe et Clevenger..5 DÉCANTATION ________________________________________________________________________________________________________________________ Tableau 3 – Valeurs comparées des surfaces unitaires Hauteur de l'interface obtenues par différentes méthodes. Il apparaît que les De < 1... Pour les valeurs de S obtenues avec les méthodes récentes... pour la décantation des phosphates et des kaolins floculés h0 Méthode Phosphates Kaolins floculés Coe et Clevenger.30 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.... on définit un coefficient n. dilution De de la suspension à l’entrée et sa dilution au point de compression Dc....96 0. Le décanteur est relativement plat. 5.. Pour les décanteurs de diamè- ( n – 1 ⁄ n )n – 1 S u = ----------------------------------. à la différence des suspen- sions diluées.. et une constante k que l’on obtient en faisant Les avis sont très partagés sur les coefficients correcteurs à appli- C = 1... lui-même dérivé du modèle de Kynch... En n’est pas standardisée . seuls des tests pilote ou à grande échelle portant les vitesses en fonction des concentrations sur un dia.. 1980). Le dimensionnement fait appel à concentration Cs de la sous-verse (t/m3) selon l’expression : l’expérience des constructeurs..... on observe que les points expérimentaux s’alignent suivant 2 ou 3 portions de droite (Dahlstrom. Si hB est supérieur à 1 m....... Toutefois.35.C sn – 1 (37) tre supérieur à 15 m.. avec des boues hautement floculées.60 m.7 Dc Pas de coefficient correcteur résultats des 3 premières méthodes sont très homogènes. Kos (1979) décrit une Parution : mars 1999 . On Temps de sédimentation fixe donc à environ 1 m la hauteur du liquide clair...90 0. 1979) est basée sur le modèle méthode permettant d’évaluer cette zone de compression....3. si de la hauteur des boues lors de l’expérimentation en laboratoire et l’on recherche plus de rigueur.cerist // 193...3. 5.. on prend un coefficient de 1. À cette hauteur hB il faut ajouter la hauteur correspondant à la Figure 10 – Courbe de sédimentation montrant les constructions zone C. 0...76...7 Dc < De < 3 Dc 1..5 Comparaison des différentes méthodes de détermination de la surface Tableau 4 – Valeurs des coefficients correcteurs en fonction de la dilution de la suspension à l’entrée du décanteur (De) Une comparaison a été faite par Pearse (1980) entre les différentes méthodes pour le calcul des surfaces unitaires en les appliquant à Dilution.Ce document a été délivré pour le compte de 7200092269 . donnent des résultats valables.30 Oltmann... Augmenter sa hau- ty tB teur et son volume n’augmente guère la qualité de la surverse.43 5. 0.4 Méthode de Wilhelm et Naide Il faut toutefois noter que.76. on recalcule une nouvelle sur- face S’...25 à 1..15 Clavenger la sous-estime.194.... que l’on prend égale à de Oltmann et de Talmage et Fitch (Suttill.... la hauteur de la zone de compression doit être plus élevée que celle donnée par la courbe de sédimentation... alors que la méthode de Coe et 3 Dc < De < 4 Dc 1. De Coefficient correcteur des phosphates et des kaolins floculés (tableau 3).. Par l’étude de la courbe de sédimentation dans le domaine de la Courbe de sédimentation compression.. J 3 450 − 10 © Techniques de l’Ingénieur.3......3 à 1. la pratique montre que la méthode de Talmage et Fitch sures- time la surface de l’épaississeur.05 dant... 1991) 0.. 1...cerist // 193.86 0..7 Coefficients correcteurs segment de droite.30 Talmage et Fitch.. 5 . 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