Mécanisme d'entraînement dans un décanteur gravitaire

par Sébastien Muller

Thèse de doctorat en Génie des procédés et environnement

Sous la direction de Alain Liné et de Pascal Guiraud.

Soutenue en 2009

à Toulouse, INSA .

mots clés

• Décanteur gravitaire horizontal
• Ecoulement à surface libre laminaire et sub-critique
• Déversoir
• Transport diphasique
• Charriage
• Re-entrainement
• Forme granulaire
• Processus d’affouillement
• Séparateurs d'eau et d'hydrocarbures -- Thèses et écrits académiques
• Écoulement diphasique -- Thèses et écrits académiques
• Sédiments en suspension -- Thèses et écrits académiques
• Affouillement (géomorphologie) -- Thèses et écrits académiques
• Déversoirs -- Thèses et écrits académiques

Résumé

La production de pétrole s’accompagne de la formation d’émulsions eau-pétrole dont la séparation est réalisée dans des décanteurs gravitaires horizontaux fonctionnant en continu. La coalescence lente des gouttes d’eau avec l’interface huile-eau forme une zone dense (DPZ) dont les gouttes peuvent être remises en suspension et réentraînée. L’objectif de ce travail consiste à identifier et quantifier les mécanismes de réentraînement par une étude expérimentale. Un canal rectangulaire fermé par un déversoir permet de reproduire l’écoulement stratifié huile-DPZ-eau. Considérant la DPZ comme un système non coalescent, des particules solides remplacent les gouttes d’eau. Trois phénomènes ont été observés. (1) Le charriage des particules à la surface du lit. Contrôlé par la contrainte de cisaillement de l’écoulement du fluide, il apparait si la contrainte adimensionnelle thetadépasse le seuil critique de mise en mouvement estimé à theta c = 0. 23. Une fois les particules en mouvement, le débit adimensionnel de charriage est fonction de theta et s’écrit phi = 0. 417D*3/2. Theta puissance 3. 2) L’arrachage des particules du lit situées juste en amont du déversoir. Ce phénomène transitoire est dû aux recirculations du fluide devant le déversoir et apparait si theta > 0. 7theta c. (3) La déformation du lit de particules en amont du déversoir. Résultat des mécanismes précédents, une dune se crée, suivie d’une zone d’affouillement, et atteint un état stationnaire dont la position et la forme ne dépendent que de la hauteur du déversoir. Les résultats indiquent que la position de la crête de la dune xc est telle que xc /Ho = 0. 75.

Résumé

In crude oil industry, dispersion separation is frequently achieved using continuously running, horizontal gravity settlers designed to produce well defined layers of oil and water. The slow coalescence of the micron-sized water drops at the oil-water interface (OWI), results in an accumulation of drops called dense-packed zone (DPZ), which may be re-entrained into oil. This experimental work aimed at determining and quantifying the mechanisms of re-entrainment of the DPZ. Experiments were conducted in a rectangular open channel ended by a vertical weir in which a mineral oil and tap water were re-circulated. Assuming the DPZ as a non coalescing system, a granular non-cohesive bed was deposited at the OWI to replace the DPZ. Three phenomena were revealed. (1) Bed load transport occurred when the dimensionless shear stress exerted by oil flow on the particles exceeded a critical value theta c = 0. 23. The corresponding dimensionless bed load rate  was found to be a function of theta such that phi = 0. 417D*3/2. Theta puissance 3. (2) Transient particle re-entrainment in the vicinity of the weir. Because of the flow recirculation ahead the weir, particles were lifted and transported above the weir when theta > 0. 7theta c. These two mechanisms drove the formation and the evolution of (3) the bed deformation. Within about 150 mm upstream of the weir, the initial flat bed took the shape of a dune followed by a small scour hole. At steady state, the position and the size of the dune were independent of the operating flow rate Q but were affected by the weir height Ho. Results show that the position of the crest xc is a function of Ho such that xc /Ho = 0. 75.