Cours de sédimentation - décantation: introduction

On parle de sédimentation ou décantation lorsque un solide est séparé d'un liquide par l'effet de la gravité seule.

Lorsqu'un élément filtrant est utilisé, voir filtration.

Lorsque la force centrifuge est utilisée, voir centrifugation, décantation centrifuge, ou hydrocyclone.

Définition des principaux termes liés à la sédimentation ou à la centrifugation :

• Suspension : système constitué par une phase solide dispersée dans une phase fluide
• Emulsion : système constitué par une phase liquide dispersée dans une autre phase liquide
• Phase continue : phase fluide dans laquelle s’effectue la dispersion
• Sédimentation : séparation sous l’influence de la gravité d’une phase dispersée solide ayant une densité plus grande que la phase fluide continue qui la contient
• Epaississement : terme employé en sédimentation lorsque l'on s'intéresse spécifiquement à la phase solide (boues)
• Clarification : terme employé en sédimentation lorsque l'on s'interresse spécifiquement à la phase liquide (liquide clarifié ou liquide clair)
• Décantation : terme utilisé en remplacement de sédimentation lorsqu’il s’agit d’une émulsion, ou plus généralement pour la séparation de 2 phases liquides non miscibles (voir extraction liquide-liquide)
• Floculation : association de particules solides en flocs, de plus grosse taille que les particules initiales et sédimentant à une vitesse supérieure. La floculation est en général provoquée par l’adition d’agents floculants.
• Flottation : procédé qui consiste à enrober les particules solides d’une couche d’air, ce qui conduit à une densité moyenne particule-air plus faible que le liquide, et au phénomène inverse de la sédimentation.
• Force centrifuge : si r est la distance par rapport à l’axe de rotation et ω la vitesse de rotation en rad.s^-1, une masse m est soumise à une accélération rω² et à une force mrω² analogue à g, accélération de la pesanteur et mg, poids. Le nombre de g s’exprime par rω²/g.
• Temps de séjour : temps moyen que met le fluide pour traverser l’appareil concerné. Ex : un réacteur contenant un volume de liquide de 5m³ et alimenté à raison de 1m³.h^-1 présente un temps de séjour moyen de 5h. Le temps de séjour d’une particule de fluide quelconque est proche du temps de séjour moyen dans le cas d’un écoulement piston avec profil de vitesse plat. Le temps de séjour d’une particule de fluide quelconque peut être très différent du temps de séjour moyen dans le cas d’un profil de vitesse parabolique (régime laminaire), ou d’un réacteur parfaitement agité. On parle alors de distribution de temps de séjour.

Principe de la sédimentation

Lors de la sédimentation de particules solides de masse m, de diamètre d et de masse volumique r_S dans un milieu fluide de masse volumique r_L et de viscosité m, à priori au repos, les particules sont soumises à l’action de trois forces :

• le poids, mg dirigé vers le bas,
• la poussée d’archimède, fonction de la différence de masse volumique entre la particule et le milieu fluide et dirigée vers le haut,
• les forces de frottement exercées sur la particule par le fluide, du fait de sa viscosité (ces frottements croissent avec le carré de la vitesse relative particule-fluide).

Lorsque les forces de frottement visqueux équilibrent la résultante du poids et de la poussée d'archimède, la particule se déplace alors à une vitesse constante appelée vitesse de sédimentation, que l’on peut déterminer dans les deux cas suivants :

• En régime laminaire, loi de Stokes, v=(d².(r_S-r_L).g)/(18.m)

• En régime turbulent, loi de Newton, v=(3.g.d.(r_S-r_L)./r_L)^1/2

En conséquence, la vitesse de sédimentation augmente avec la différence de masse volumique particule-fluide r_S-r_L, l’accélération de la pesanteur g (ou centrifuge rω²), le diamètre de la particule (son carré en régime laminaire). La vitesse de sédimentation diminue lorsque la viscosité du milieu augmente, ou le diamètre des particules diminue. Les particules de plus gros diamètre sédimentent plus rapidement que les particules de petit diamètre, ce qui donne lieu à une méthode de classement, mais conduit également à un seuil de coupure d’un décanteur.

Les facteurs clefs de la sédimentation sont la différence de masse volumique entre le solide et le liquide, la taille des particules et la viscosité du fluide. Pour des particules de quelques microns, la vitesse de sédimentation devient trop faible.

On utilise alors des adjuvants de floculation pour agglomérer les particules entre elles et augmenter ainsi leur vitesse limite de chute.

Principe de la centrifugation

Les lois régissant la vitesse de sédimentation s’appliquent avec une accélération centrifuge au lieu de l’accélération de la pesanteur. La vitesse de sédimentation peut être multipliée par un facteur de 100 à 10000, rendant l’opération réalisable avec des temps de séjours beaucoup plus court. Il s’en suit des appareils bien moins encombrant, mais nécessitant une source d’énergie (moteur électrique) et d’une technologie plus complexe (étanchéité de pièces en rotation par exemple).

Pratique industrielle de la sédimentation, de la décantation, de la centrifugation

• Epaississeur : épaissir une suspension à faible teneur en solide, pour récupérer le solide.
• Clarificateur : clarifier un liquide, également à faible teneur en solide.
• Hydrocyclone : séparation basée sur la force centrifuge crée par l’arrivée de la suspension tangentiellement à l’axe de l’appareil et à grande vitesse (vitesse transformée en force centrifuge).
• Décantation centrifuge ou centrifugation: séparation basée sur la force centrifuge crée par la mise en rotation de la suspension à grande vitesse, dans une machine tournante : centrifugeuses, centrifugeuse à bol, centrifugeuse à bol et vis, séparateur à assiettes.
• Décanteur florentin : séparer deux phases liquides en émulsion. Débordement phase légère par trop-plein, soutirage phase lourde par garde hydraulique avec casse-syphon, respiration.

Ce chapître contient les rubriques suivantes:

Sédimentation discontinue

Sédimentation continue

Décanteur épaississeur circulaire (Dorr-Oliver, Larox..)

Décanteur à lamelles

Décanteur épaississeur à étages

Coagulation et floculation