FR3127213A1 - Installation de traitement de fluide fonctionnant sous pression mettant en œuvre un lit fluidisé de particules de média adsorbant. - Google Patents
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Abstract
Installation pour le traitement d’un fluide comprenant un réacteur (1) accueillant un lit de particules de média adsorbant, des moyens d’injection et de répartition (2) de fluide à traiter disposés en partie basse dudit réacteur (1) destinés à former un flux ascendant de fluide au sein dudit réacteur (1) et permettant la fluidisation et l’expansion dudit lit de particules de média adsorbant, des moyens de récupération (3) du fluide ayant transité au sein dudit lit de particules de média adsorbant ainsi fluidisé, caractérisée en ce que ledit réacteur (1) est un réacteur fermé formant une enceinte permettant de mettre en œuvre ledit traitement sous pression, ladite enceinte présentant un fond (11) accueillant lesdits moyens d’injection et de répartition (2) du fluide à traiter, un corps central (12) essentiellement cylindrique formant colonne de fluidisation, un corps périphérique (14) essentiellement cylindrique définissant une chambre annulaire (15) autour dudit corps central (12) essentiellement cylindrique délimitant une colonne de fluidisation, ladite chambre annulaire (15) accueillant au moins une couche d’un matériau granulaire ou pulvérulent, un couvercle incurvé (13) formant déflecteur permettant de transformer ledit flux ascendant en un flux descendant homogène et de diriger ledit flux descendant vers lesdits moyens de récupération (3) via ladite chambre annulaire (15). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2
Description
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine du traitement de fluides tels que des eaux par passage dans un réacteur contenant des particules de média adsorbant.
Plus précisément, l’invention se rapporte à une installation mettant en œuvre de telles particules sous forme d’un lit fluidisé.
La présente invention est adaptée à l’abattement des substances organiques, des micropolluants et/ou des ions métalliques dans une eau à l’aide de charbon actif à titre de média adsorbant.
Art antérieur
Il existe dans l’art antérieur diverses installations pour le traitement des fluides tels que les eaux mettant en œuvre des lits fluidisés de particules de média adsorbant permettant de fixer sur celles-ci différents types de composés indésirables présents dans les fluides en question. De telles installations permettent de maximiser l’action adsorbante de ces particules tout en minimisant les pertes de charges occasionnées par les lits fixes de particules.
La vitesse minimale de fluidisation d’un lit de média constitué de particules solides est la vitesse minimale que doit avoir un fluide circulant de bas en haut pour permettre une légère mise en mouvement des particules qui se mettent en suspension. Elle dépend de la taille et de la densité des particules solides ainsi que de la viscosité du fluide. Quand la vitesse du fluide devient supérieure à la vitesse minimale de fluidisation le lit de particules solides connaît un phénomène d’expansion dans le réacteur, caractérisé par un taux d’expansion. Le taux d’expansion correspond à l’augmentation de la hauteur du lit lors du passage du fluide à la vitesse de fluidisation par rapport à la hauteur du lit au repos. Pour un lit de particules donné, l’expansion est équivalente à la mise en suspension des particules. L’expansion des particules change en fonction de la vitesse ascendante. En augmentant de façon progressive cette vitesse, l’expansion passe d’un état d’immobilité à un état où les particules se mettent en suspension pour obtenir une hauteur pouvant aller jusqu’au double de la hauteur initiale (hauteur au repos). Dans ce cas, les particules deviennent indépendantes les unes des autres.
En pratique, afin d’utiliser toute la masse de charbon actif présente dans le réacteur, le lit de charbon actif doit généralement être fluidisé à un taux d’expansion qui peut être théoriquement compris entre 10 et 100 %. En dessous de 10 %, la surface spécifique du media peut ne pas être totalement utilisée pour l’adsorption.
Ainsi, la mise en œuvre des installations comprenant de tels lits fluidisés nécessite un contrôle accru de la vitesse de fluide ascendant permettant de trouver le moins mauvais compromis, pour une gamme de granulométrie de particules donnée, entre d’une part une expansion suffisante du lit, notamment des particules de plus grande granulométrie, et d’autre part la fuite limitée des particules de plus faible granulométrie. Il est cependant quasiment impossible de favoriser l’un sans que cela ne soit au détriment de l’autre.
La demande de brevet FR2874913 décrit ainsi un procédé de traitement d’eaux mettant en œuvre un lit de charbon actif fluidisé dans un réacteur, dans lequel la vitesse de fluidisation du charbon actif et les caractéristiques de celui-ci doivent être précisément choisies pour assurer une séparation gravitaire, en partie haute du réacteur, entre les particules de charbon actif et le fluide, le fluide traité essentiellement exempt de charbon actif étant récupéré par surverse à la sortie de celui-ci.
La fuite de charbon actif est en effet particulièrement préjudiciable puisqu’elle entraîne un surcoût résultant notamment de la réinjection de charbon actif neuf pour compenser cette perte. De plus elle entraîne une surcharge, non nécessaire, en matières en suspension (MES) dans le fluide traité, surcharge qui doit être absorbée par des filtres disposés en aval du procédé de traitement par flux ascendant qui ont donc tendance à se colmater plus rapidement.
La demande de brevet FR308145 décrit quant à elle un procédé de traitement d’un fluide mettant en œuvre un réacteur à flux ascendant contenant un lit fluidisé de particules de média adsorbant et qui présente, dans sa partie supérieure, des moyens de déflexion de fluide destinés à réduire la vitesse du flux ascendant de fluide et permettant de former une zone de tranquillité de fluide. Les particules de média adsorbant, notamment celles de plus faible taille, viennent buter contre le moyen de déflexion et du fait du ralentissement de la vitesse du flux ascendant au niveau du moyen de déflexion, retombent vers le bas du réacteur. La zone en aval est ainsi quasi exempte de particules de média adsorbant et un fluide traité exempt de particules de média adsorbant en suspension peut être récupéré.
Toutes ces installations présentent le point commun de fonctionner à la pression atmosphérique. Les eaux traitées dans le lit fluidisé de particules de média adsorbant sont de ce fait collectées par surverse en partie supérieure des ouvrages.
Ce fonctionnement est gravitaire et à la pression atmosphérique. Or, il est souvent nécessaire d’acheminer le fluide récupéré par surverse vers des étapes de traitement supplémentaires. Ainsi, dans le cadre de la potabilisation de l’eau, de telles étapes peuvent notamment consister en une filtration, une désinfection ou encore une re-minéralisation afin de respecter des niveaux réglementaires.
Pour rejoindre les étapes supplémentaires en question, les eaux récupérées par surverse en partie supérieure des installations doivent donc être pompées vers celles-ci, ce qui entraîne la nécessité de recourir à des équipements supplémentaires qui augmentent le coût des installations et leur mise en œuvre.
Pour éviter le recours à un tel pompage, des sujétions de calage altimétrique peuvent aussi dans certains cas être mises en œuvre. Toutefois, les contraintes relatives aux sites d’installation ne permettent pas toujours d’envisager celles-ci.
On notera aussi que, dans le cadre de la mise en œuvre des réacteurs à lit fluidisé de charbon actif de l’art antérieur pour le traitement des eaux, une difficulté rencontrée consiste en la variabilité de la teneur en polluants à adsorber présents dans les eaux à traiter. Ainsi, certaines eaux peuvent présenter des pointes de pollution qui peuvent être assez difficiles à prévoir. Pour permettre le traitement de ces pics de pollution, il est souvent nécessaire d’ajouter, à titre préventif, des quantités importantes de charbon actif dans les réacteurs. De tels surdosages impliquent une augmentation des quantités de charbon actif utilisées et donc une augmentation des couts de mise en œuvre des installations. Des capteurs et des automatismes peuvent aussi être mis en œuvre pour mieux gérer ces pointes intempestives de pollution. Toutefois, de tels équipements augmentent aussi le cout des installations et les couts de leur mise en œuvre.
Objectifs de l’invention
Un objectif de l’invention est de proposer une installation de traitement de fluide sur lit fluidisé de particules de média adsorbant permettant de s’affranchir de l’utilisation de pompes intermédiaires ou de sujétions de calage altimétriques pour acheminer le fluide ayant transité dans le lit fluidisé vers au moins une étape ultérieure de traitement.
Un objectif de l’invention est de décrire une telle installation qui, dans au moins certains modes de réalisation, intègre au moins une étape ultérieure de traitement et qui présente une emprise au sol optimisée.
Encore un autre objectif de la présente invention qui, dans au moins certains modes de réalisation, intègre au moins une étape ultérieure de traitement et permet des vitesses de traitement dans cette étape optimisées.
Un autre objectif de la présente invention est de décrire un système comprenant plusieurs telles installations disposant de moyens communs d’alimentation en eau traitée.
Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l’invention qui concerne une installation pour le traitement d’un fluide comprenant :
- un réacteur accueillant un lit de particules de média adsorbant ;
- des moyens d’injection et de répartition de fluide à traiter disposés en partie basse dudit réacteur destinés à former un flux ascendant de fluide au sein dudit réacteur et permettant la fluidisation et l’expansion dudit lit de particules de média adsorbant ;
- des moyens de récupération du fluide ayant transité au sein dudit lit de particules de média adsorbant ainsi fluidisé,
caractérisée en ce que ledit réacteur est un réacteur fermé formant une enceinte permettant de mettre en œuvre ledit traitement sous pression, ladite enceinte présentant :
- un fond accueillant lesdits moyens d’injection et de répartition du fluide à traiter ;
- un corps central essentiellement cylindrique formant colonne de fluidisation ;
- préférentiellement un corps périphérique essentiellement cylindrique définissant une chambre annulaire autour dudit corps central essentiellement cylindrique délimitant une colonne de fluidisation, ladite chambre annulaire accueillant au moins une couche d’un matériau granulaire ou pulvérulent ;
- un couvercle incurvé formant déflecteur permettant de transformer ledit flux ascendant en un flux descendant homogène et de diriger ledit flux descendant vers lesdits moyens de récupération préférentiellement via ladite chambre annulaire.
- un réacteur accueillant un lit de particules de média adsorbant ;
- des moyens d’injection et de répartition de fluide à traiter disposés en partie basse dudit réacteur destinés à former un flux ascendant de fluide au sein dudit réacteur et permettant la fluidisation et l’expansion dudit lit de particules de média adsorbant ;
- des moyens de récupération du fluide ayant transité au sein dudit lit de particules de média adsorbant ainsi fluidisé,
caractérisée en ce que ledit réacteur est un réacteur fermé formant une enceinte permettant de mettre en œuvre ledit traitement sous pression, ladite enceinte présentant :
- un fond accueillant lesdits moyens d’injection et de répartition du fluide à traiter ;
- un corps central essentiellement cylindrique formant colonne de fluidisation ;
- préférentiellement un corps périphérique essentiellement cylindrique définissant une chambre annulaire autour dudit corps central essentiellement cylindrique délimitant une colonne de fluidisation, ladite chambre annulaire accueillant au moins une couche d’un matériau granulaire ou pulvérulent ;
- un couvercle incurvé formant déflecteur permettant de transformer ledit flux ascendant en un flux descendant homogène et de diriger ledit flux descendant vers lesdits moyens de récupération préférentiellement via ladite chambre annulaire.
Prévoir la fluidisation d’un lit de particules de média adsorbant dans un réacteur à flux ascendant fermé n’avait à la connaissance de la Déposante pas été proposé ni suggéré dans l’art antérieur. Cette solution permet de mettre en œuvre le traitement non plus à la pression atmosphérique mais à une pression supérieure, et ainsi d’éviter toute rupture de charge du fluide à sa sortie du réacteur. Ainsi, il est possible grâce à l’invention de s’affranchir de la nécessité de recourir à un pompage intermédiaire de ce fluide pour son acheminement vers une ou plusieurs étapes de traitement supplémentaires et/ou de s’affranchir de toute sujétions de calage altimétriques de ce réacteur pour un tel acheminement sans pompage. Par rapport à l’art antérieur, une telle installation est donc plus économique à réaliser mais aussi à mettre en œuvre, l’énergie qui serait nécessaire aux opérations de pompage intermédiaire n’étant pas utilisée.
Le couvercle fermant le réacteur de l’installation selon l’invention permet d’inverser le sens du flux de fluide, c’est-à-dire de transformer le flux ascendant de fluide ayant transité dans le lit fluidisé de particules de média adsorbant en un flux de fluide descendant vers les moyens d’évacuation. Ce flux descendant peut alors alimenter directement une ou plusieurs étapes de traitement supplémentaires sans besoin de pompage ou sans besoin de prévoir le réacteur à une altitude supérieure à celle d’un dispositif pour de tels traitements supplémentaires. Au sujet de ce couvercle, on notera que sa forme incurvée favorise cette fonction.
Par ailleurs, avantageusement, l’invention permet d’adjoindre au sein de la même installation une ou plusieurs étapes de traitement supplémentaire du fluide ayant transité dans le lit fluidisé de particules de média adsorbant en prévoyant un corps périphérique essentiellement cylindrique définissant une chambre annulaire autour dudit corps central essentiellement cylindrique formant colonne de fluidisation.
Un telle chambre annulaire prévue autour du corps central permet d’optimiser l’emprise au sol de l’installation selon l’invention par rapport à celles d’installations qui comprendraient d’une part un réacteur de l’art antérieur fonctionnant à la pression atmosphérique, d’autre part un dispositif pour le traitement ultérieur du fluide provenant de ce réacteur, et enfin des sujétions de calages altimétriques ou des canalisations munies de pompes entre un tel réacteur et un tel dispositif.
Une telle configuration permet aussi de diminuer le cout de l’installation.
Préférentiellement, les particules de média adsorbant sont des grains ou des micrograins choisis parmi du charbon actif, de la résine, de l’argile, de la zéolithe, du dioxyde de manganèse, de l’oxyhydroxyde de fer, ou leurs mélanges.
Avantageusement, ledit matériau pulvérulent ou granulaire présent dans ladite chambre annulaire est choisi dans le groupe constitué par les matériaux adsorbants, les matériaux de filtration, les matériaux de re-minéralisation, les matériaux à effet catalytique (tels que par exemple l’oxyde de manganèse...).
Lorsqu’il s’agira d’un matériau adsorbant, celui-ci pourra être le même que celui utilisé dans la colonne de fluidisation. Ainsi, la présence de ce matériau adsorbant supplémentaire dans la chambre annulaire pourra permettre de s’affranchir de la nécessité de sur-doser le matériau adsorbant dans la colonne de fluidisation notamment pour prévenir des pics de polluants dans le fluide entrant à traiter et d’utiliser des capteurs ou automatismes pour minimiser ces surdosages. Le traitement redondant du fluide par le média adsorbant d’abord dans la colonne de fluidisation puis dans la chambre annulaire offrira aussi une sécurité maximale de traitement.
Lorsque le matériau mis en œuvre dans la chambre annulaire sera un matériau de filtration, celui-ci pourra servir à retenir les éventuelles matières en suspension présentes dans le fluide à sa sortie du lit fluidisé de particules de média adsorbant, et notamment retenir ce média lorsqu’il aura été amené à fuiter de la colonne de fluidisation.
Selon une variante particulièrement intéressante, ladite chambre annulaire accueille au moins deux couches de matériaux pulvérulents ou granulaires. Le choix de ces matériaux sera réalisé en fonction de la ressource à traiter.
Ainsi, par exemple, ladite chambre annulaire accueille une couche de sable, et au moins une couche d’un matériau choisi parmi le charbon actif en grains, l’anthracite, le sable, l’oxyde de manganèse, le calcaire prévue(s) au-dessus de ladite couche de sable.
Avantageusement, lesdits moyens de récupération du fluide ayant transité au sein dudit lit fluidisé et éventuellement au sein de ladite au moins une couche de matériau pulvérulent ou granulaire prévue dans ladite chambre annulaire comprennent une canalisation d’évacuation prévue dans la partie inférieure dudit réacteur.
Préférentiellement, l’installation comprend des moyens de lavage de ladite au moins une couche de matériau granulaire ou pulvérulent prévue dans ladite chambre annulaire. Un tel lavage sera effectué préférentiellement à contre-courant par passage d’un fluide de lavage en courant ascendant dans la chambre annulaire.
Selon une variante ladite chambre annulaire comprend un plancher perforé sur lequel repose ladite au moins une couche de matériau granulaire ou pulvérulent, des moyens d’injection d’eaux de lavage prévus sous ledit plancher, des moyens de récupération d’eaux sales de lavage prévus dans la partie supérieure de ladite chambre annulaire.
Avantageusement, lesdites moyens de récupération d’eaux sales de lavage incluent une goulotte périphérique.
Également avantageusement, l’installation comprend des moyens supplémentaires choisis parmi des moyens d’injection de particules de média adsorbant neuf, des moyens d’extraction de particules de média adsorbant usagés et des moyens de recirculation du fluide traité.
Les installations selon l’invention pourront être associées en un système en regroupant deux ou plusieurs pouvant fonctionner en parallèle. Les moyens d’alimentation en eau à traiter des réacteurs de celles-ci pourront être communs et pourvus d’un système de vannes permettant de répartir les eaux à traiter dans un ou plusieurs de ces réacteurs.
Brève description des figures
Claims (10)
- lnstallation pour le traitement d’un fluide comprenant :
- un réacteur (1) accueillant un lit de particules de média adsorbant ;
- des moyens d’injection et de répartition (2) de fluide à traiter disposés en partie basse dudit réacteur (1) destinés à former un flux ascendant de fluide au sein dudit réacteur (1) et permettant la fluidisation et l’expansion dudit lit de particules de média adsorbant ;
- des moyens de récupération (3) du fluide ayant transité au sein dudit lit de particules de média adsorbant ainsi fluidisé,
caractérisée en ce que ledit réacteur (1) est un réacteur fermé formant une enceinte permettant de mettre en œuvre ledit traitement sous pression, ladite enceinte présentant :
- un fond (11) accueillant lesdits moyens d’injection et de répartition (2) du fluide à traiter ;
- un corps central (12) essentiellement cylindrique formant colonne de fluidisation ;
- un corps périphérique (14) essentiellement cylindrique définissant une chambre annulaire (15) autour dudit corps central (12) essentiellement cylindrique délimitant une colonne de fluidisation, ladite chambre annulaire (15) accueillant au moins une couche d’un matériau granulaire ou pulvérulent ;
- un couvercle incurvé (13) formant déflecteur permettant de transformer ledit flux ascendant en un flux descendant homogène et de diriger ledit flux descendant vers lesdits moyens de récupération (3) via ladite chambre annulaire (15). - Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les particules de média adsorbant sont des grains ou des micrograins choisis parmi du charbon actif, de la résine, de l’argile, de la zéolithe, du dioxyde de manganèse, de l’oxyhydroxyde de fer, ou leurs mélanges.
- Installation selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit matériau pulvérulent ou granulaire présent dans ladite chambre annulaire (15) est choisi dans le groupe constitué par les matériaux adsorbants, les matériaux de filtration, les matériaux de re-minéralisation, les matériaux à effet catalytique.
- Installation selon l’une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ladite chambre annulaire (15) accueille au moins deux couches (6a, 6b) de matériaux pulvérulents ou granulaires.
- Installation selon la revendication 4 caractérisée en ce que ladite chambre annulaire accueille au moins une couche (6a) d’un matériau choisi parmi le charbon actif en grains, l’anthracite, le sable, l’oxyde de manganèse, le calcaire prévue(s) au-dessus d’une couche de sable (6b).
- Installation selon l’une quelconques des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens de récupération (3) du fluide ayant transité au sein dudit lit fluidisé et éventuellement au sein de ladite au moins une couche de matériau pulvérulent ou granulaire prévue dans ladite chambre annulaire (15) comprennent une canalisation d’évacuation (33) prévue dans la partie inférieure dudit réacteur.
- Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens de lavage de ladite au moins une couche de matériau granulaire ou pulvérulent prévue dans ladite chambre annulaire (15).
- Installation selon la revendication 7 caractérisée en ce que ladite chambre annulaire (15) comprend un plancher perforé (16) sur lequel repose ladite au moins une couche de matériau granulaire ou pulvérulent, des moyens d’injection (18) d’eau de lavage prévus sous ledit plancher (16), des moyens de récupération d’eaux sales de lavage prévus dans la partie supérieure de ladite chambre annulaire (15).
- Installation selon la revendication 8 caractérisée en ce que lesdits moyens de récupération d’eaux sales de lavage incluent une goulotte périphérique (20).
- Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens supplémentaires choisis parmi des moyens d’injection de particules de média adsorbant neuf, des moyens d’extraction de particules de média adsorbant usagés et des moyens de recirculation du fluide traité.
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