Pourquoi les eaux de fond de cuve exigent une autre conception de FAD
Le dimensionnement d'une flottation à air dissous (FAD/DAF) pour les eaux de fond de cuve part du débit horaire de pointe et du flux d'huile, pas des charges superficielles municipales. Le soutirage de pointe vaut en général 3 à 5 fois la moyenne journalière. L'huile se situe entre 200 et 10 000 mg/L, les MES entre 200 et 3 000 mg/L. Le flux d'huile de dimensionnement reste dans la bande 15–40 kg d'huile/m²·h, avec une charge superficielle de 5–15 m/h, une pression de saturateur de 300–500 kPa et 8–12 % de recyclage d'effluent clarifié.
Les eaux de fond de cuve sont le mélange pompé dans les puisards de drainage des bacs de stockage de brut, de produits intermédiaires et de résidus huileux, lors des soutirages périodiques. Ces soutirages ont lieu en général une ou deux fois par mois, parfois chaque semaine, quand le niveau de produit baisse et que le pied d'eau est chassé. Le flux est stratifié. Il porte une couche d'huile libre en surface, une couche d'émulsion interfaciale au milieu et une suspension de sédiments en dessous. Ce qui arrive à la FAD est un mélange des trois couches, variable dans le temps. La teneur en huile se situe régulièrement entre 200 et 10 000 mg/L, selon le service du bac, son âge et le temps de séjour du pied d'eau. Les MES restent entre 200 et 3 000 mg/L. Le pH dérive entre 5,5 et 8,0 dans la plupart des puisards de raffinerie et de terminal.
Ce profil diffère de l'alimentation en colloïdes et MES que supposent les guides de FAD municipale. Deux faits d'exploitation ouvrent l'écart. Le soutirage est intermittent : le débit de pointe vaut 3 à 5 fois la moyenne journalière pendant la vidange d'un bac. La charge est dominée par l'huile. La contrainte de calcul est donc le flux d'huile (kg d'huile/m²·h), et non les MES ni la seule vitesse de surverse superficielle. Une règle générique fixe la charge superficielle à 5–10 m/h pour une alimentation colloïdale stable. Face à un à-coup d'huile, elle sous-dimensionne l'équipement. La thèse 2020 de Dladla, menée à la Durban University of Technology (DUT, université de technologie de Durban), porte le titre « Optimization of DAF for separating industrial mineral oil from water ». Elle traite l'huile de raffinerie dans l'eau comme un cas distinct de la FAD municipale. Ce travail retient le pH 5 et un rapport air/eau de 8–12 % comme variables qui fixent la performance (source : DUT 2020).
Dimensionnement d'une FAD pour les eaux de fond de cuve : calcul en cinq étapes
Un dimensionnement de FAD justifiable pour les eaux de fond de cuve suit cinq étapes en chaîne. En sauter une donne un appareil qui laisse passer l'huile au premier soutirage, ou un CAPEX (coûts d'investissement) d'environ 30 % supérieur à ce que le service exige.
- Étape 1 — Fixer le débit horaire de pointe Q (m³/h). Calculez-le à partir du volume du bac, du débit de soutirage attendu (courbe de pompe) et du nombre de bacs soutirés ensemble. Utilisez la pointe, pas la moyenne journalière. Un bac de 5 000 m³ soutiré en 8 heures, avec le pied d'eau dans les 5 % finaux, produit une pointe bien plus haute que la moyenne mensuelle. Pour un soutirage simultané type de deux bacs, Q se situe en général entre 15 et 60 m³/h.
- Étape 2 — Caractériser l'alimentation et fixer le flux d'huile. Mesurez l'huile libre, l'huile émulsionnée et les MES. Le flux d'huile de dimensionnement, pour des eaux de fond de cuve huileuses, se tient dans la bande 15–40 kg d'huile/m²·h. Sous 15, l'appareil est sous-sollicité. Au-dessus de 40, le tapis de flottats s'effondre et l'huile revient par la goulotte.
- Étape 3 — Choisir la charge superficielle et calculer la surface. Utilisez une charge superficielle (SLR) de 5–15 m/h : borne basse si l'huile est élevée, borne haute si elle est faible. Calculez A = Q / SLR. Pour Q = 30 m³/h et SLR = 8 m/h, A = 3,75 m² de surface utile de flottation.
- Étape 4 — Dimensionner le saturateur et la boucle de recyclage. Utilisez 300–500 kPa et un taux de recyclage de 8–12 %, selon l'optimisation DUT 2020. Le débit de recyclage vaut 0,08–0,12 × Q. Pour Q = 30 m³/h, le recyclage est de 2,4–3,6 m³/h dans un saturateur sous pression prévu pour environ 400 kPa.
- Étape 5 — Ajouter 20–30 % de marge hydraulique pour les à-coups de charge, les pics d'émulsion interfaciale et les cycles de nettoyage. Cette marge évite la percée d'huile chronique qui fait échouer la plupart des premiers dimensionnements de FAD sur les soutirages de bacs.
Vérification chiffrée : 30 m³/h × 1,25 de marge = 37,5 m³/h de débit de dimensionnement. On obtient 4,7 m² de surface de flottation à 8 m/h de charge superficielle, avec un saturateur à 3,0 m³/h de recyclage sous 400 kPa. La plupart des installations que nous dimensionnons pour des soutirages de terminal à deux bacs tombent dans la moitié basse de la bande de pointe 15–60 m³/h, tant que le planning d'exploitation n'a pas confirmé les soutirages simultanés.
| Étape | Paramètre | Valeur / plage | Source / note |
|---|---|---|---|
| 1 | Débit de pointe Q | 15-60 m³/h (soutirage type de deux bacs) | Calcul de l'ingénieur d'après la courbe de pompe |
| 2 | Flux d'huile de dimensionnement | 15-40 kg d'huile/m²·h | Données de terrain HydropureWater, 2026 |
| 3 | Charge superficielle (SLR) | 5-15 m/h | Selon l'huile, plus basse si l'huile est élevée |
| 3 | Surface de flottation A = Q/SLR | p. ex. 3,75 m² à 30 m³/h, SLR 8 | Calculé |
| 4 | Pression du saturateur | 300-500 kPa | Optimum DUT 2020 : 350-425 kPa |
| 4 | Recyclage air/eau | 8-12 % de Q | Optimum DUT 2020 : 10 % |
| 5 | Marge hydraulique | +20-30 % sur Q | Réserve pour à-coup et pic d'émulsion |
Chimie de prétraitement et état du floc
Sans réactifs, l'huile émulsionnée traverse la FAD. Les gouttelettes de 5–20 μm ne s'accrochent pas seules aux microbulles. Il leur faut un pont de coagulation ou de floculation. L'étude DUT 2020 retient le pH 5 comme optimum pour l'huile minérale dans l'eau (source : DUT 2020). La fenêtre de pH 5–7 est celle où aboutissent la plupart des essais en jarre de raffinerie, avant la mise en service. Hors de cette fenêtre, la charge du coagulant cationique est inhibée au-dessus de pH 7,5. En dessous de pH 4,5, le complexe huile-tensioactif se restabilise.
Le coagulant est en général un sel minéral cationique, sulfate d'alumine ou chlorure ferrique à 30–50 mg/L, ou un polymère cationique du type des organiques Zetag examinés dans l'étude DUT 2020. L'énergie de mélange compte autant que la dose. Un mélange rapide à 100–300 s⁻¹ pendant environ 30 s disperse le coagulant. Une agitation lente à 20–50 s⁻¹ pendant 5–10 min fait ensuite grossir des flocs larges et peu denses, que les microbulles peuvent soulever. Selon le chapitre d'Edzwald chez CRC Press sur la taille et la densité des flocs en FAD face à la décantation (Algae Laden Water Treatment by Dissolved Air Flotation), la FAD demande des flocs plus gros et moins denses que l'épaississement gravitaire. Cette cible de mélange différente explique souvent pourquoi les exploitants règlent l'agitation à l'envers. La préparation du polymère et l'ajustement de dose doivent passer par un système automatique de dosage de réactifs asservi au débit, pour que la dose suive l'à-coup de charge.
Réglage du saturateur et du rapport air/eau
Pièce maîtresse d'une FAD, le saturateur est aussi le composant le plus souvent mal spécifié en service d'eaux de fond de cuve. La plage de marche est une pression de 300–500 kPa et un taux de recyclage air/eau de 8–12 %, d'après l'étude DUT 2020. Sur la plupart des modules de raffinerie et de terminal, 400 kPa et 10 % forment le milieu pratique de la plage (source : DUT 2020). Une pression plus haute dissout davantage d'air par unité d'eau de recyclage. Le coût du compresseur et de la pompe suit cette hausse. Au-dessus d'environ 500 kPa, la masse d'air gagnée par kPa supplémentaire diminue. Sous 8 % de recyclage, le flux de bulles ne soulève pas la charge d'huile et la flottation reste partielle. Passé 12 %, le tapis de flottats se déstabilise : les bulles le cisaillent et l'effluent emporte de l'huile visible.
L'eau de recyclage doit être l'effluent clarifié de la FAD, pas l'influent brut. Alimenté en eau de fond de cuve brute, le saturateur s'encrasse en quelques semaines, pas en quelques mois. Les sédiments et l'émulsion interfaciale enrobent le garnissage et bloquent le transfert d'air. La taille de bulle qui compte est la fenêtre 10–100 μm. Ces microbulles se forment quand le recyclage saturé se détend dans des vannes à pointeau ou des buses de détente. L'air sort de solution en fines bulles, se fixe à l'huile floculée et monte à 0,5–2 m/min.
| Paramètre | Plage de fonctionnement | Consigne type | Conséquence hors plage |
|---|---|---|---|
| Pression du saturateur | 300-500 kPa | 400 kPa | Basse → faible flux de bulles ; haute → gain décroissant, coût plus élevé |
| Recyclage air/eau | 8-12 % | 10 % | Bas → flottation partielle ; haut → tapis déstabilisé, l'huile est cisaillée |
| Taille des microbulles | 10-100 μm | 30-60 μm | Hors plage → mauvaise fixation de l'huile |
| Origine de l'eau de recyclage | Effluent clarifié de FAD | Effluent | Influent brut → encrassement du garnissage, population de bulles instable |
| Temps de séjour en flottation | 5-15 min | 10 min | Court → entraînement de l'émulsion ; long → bac surdimensionné |
Adapter la FAD de HydropureWater à votre débit
Le choix du module vient après la fixation de Q, de la surface de flottation et de la taille du saturateur. Le système de flottation à air dissous (FAD/DAF) HydropureWater couvre 4–300 m³/h sur 13 modèles standard du catalogue. Cette plage couvre les soutirages de terminal à un bac et à deux bacs. Retenez le modèle dont le débit nominal se situe à 70–85 % du débit de pointe de dimensionnement. Ainsi, le temps de contact floc-bulle ne s'effondre pas sous une sous-charge chronique. Il reste une marge pour l'à-coup que l'exploitant n'a pas encore vu.
En service d'eau huileuse, la configuration doit comprendre un écumeur supérieur prévu pour l'huile, à déversoir réglable, un racleur de fond à minuterie de cycle pour les sédiments, et un paquet de plaques inclinées pour renforcer le contact huile-bulles. Couplez le module à un dosage de polymère asservi au débit, sur le système automatique de dosage de réactifs, afin que la dose suive l'à-coup en temps réel plutôt qu'une consigne fixe. Les ingénieurs qui comparent des effluents huileux peuvent recouper le guide de dimensionnement d'une FAD pour les eaux de pâtes de neutralisation d'huiles alimentaires. Le cas voisin, côté électronique, est traité dans le guide de dimensionnement d'une FAD pour les effluents de gravure HF. Si une seconde référence produit aide l'achat, la même plage de catalogue du système de flottation à air dissous (FAD/DAF) sert de première liste courte pour les pointes de 15–60 m³/h.
| Débit de pointe de dimensionnement (m³/h) | Gamme de modèles DAF | Cible de charge | Remarques |
|---|---|---|---|
| 4-10 | Petit module (pilote de laboratoire ou de terminal) | 70-85 % du nominal | Soutirage d'un petit bac |
| 10-30 | Module intermédiaire | 70-85 % du nominal | Soutirage type d'un bac de raffinerie |
| 30-80 | Grand module | 70-85 % du nominal | Soutirage simultané de deux bacs |
| 80-300 | Plusieurs modules / parallèle | 70-85 % du nominal | Parc de bacs ou collecteur de terminal |
Mise en service et liste de dépannage
La plupart des échecs de mise en service d'une FAD sur eaux de fond de cuve apparaissent dans les 90 premiers jours. Ils se ramènent à l'un de ces trois modes :
- Percée d'huile à la goulotte d'effluent. Vérifiez la pression du saturateur (cible 400 kPa), le taux de recyclage (cible 10 %) et la dose de polymère. Lancez d'abord une flottation en jarre pour confirmer la chimie, avant de toucher à l'hydraulique. La plupart des percées viennent de la chimie, pas du matériel.
- Mousse dans le tapis de flottats. L'entraînement de polymère résiduel et un flux d'huile trop élevé en sont les causes habituelles. Baissez le rapport air/eau de 2 à 3 points de pourcentage et revérifiez le débit de reprise de l'écumeur. Une mousse qui ne retombe pas en couche d'huile stable est un symptôme hydraulique, pas chimique.
- Accumulation de sédiments dans la cellule. Vérifiez le cycle du racleur de fond et la fréquence de purge des boues. Pour les bacs très chargés en sédiments (vieux bacs de résidus de brut, service résidu), ajoutez une étape de pré-décantation. Un petit décanteur lamellaire ou un bac conique en amont de la FAD vaut mieux que de demander à la cellule de flottation de traiter des matières décantables pour lesquelles elle n'est pas conçue.
Avant de figer le modèle, parcourez cette liste de choix. Confirmez le Q de pointe d'après la courbe de pompe et le nombre de bacs simultanés. Relevez au laboratoire l'huile libre, l'huile émulsionnée et les MES. Tenez le flux d'huile de dimensionnement entre 15 et 40 kg/m²·h. Choisissez la charge superficielle selon la bande d'huile et calculez A = Q/SLR. Réglez le saturateur entre 300 et 500 kPa, avec 8–12 % de recyclage clarifié. Ajoutez 20–30 % de marge hydraulique. Validez la chimie en jarre à pH 5–7 avant le réglage hydraulique.
Public visé et étape suivante
Le dimensionnement d'une FAD pour les eaux de fond de cuve convient aux ingénieurs de raffinerie, de terminal et de parc de bacs qui spécifient des soutirages huileux intermittents, quand le flux d'huile, et non la charge superficielle municipale, est la contrainte qui borne le calcul. Les usines en eau de procédé continue et peu huileuse, ou dont l'huile libre est déjà sous environ 200 mg/L après un séparateur API (gravitaire) ou CPI (plaques ondulées) bien dimensionné, peuvent souvent rester sur une filière gravitaire ou un coalesceur plus simple. Pour ces services, cherchez d'abord une autre voie. Quand le Q de pointe, le flux d'huile et le service du saturateur sont posés, envoyez les chiffres pour un examen de dimensionnement FAD des eaux de fond de cuve. Ce contrôle confirme la bande de module et l'ensemble de recyclage sur la même chaîne en cinq étapes.
Questions fréquentes
Quelle plage de débit un module FAD standard couvre-t-il pour les eaux de fond de cuve ?
Les unités FAD compactes standard vont d'environ 4 m³/h, pour les petits terminaux, jusqu'à 300 m³/h pour les collecteurs de raffinerie et de parc de bacs. Cette plage couvre les soutirages types d'un bac et de deux bacs en même temps. Le catalogue de HydropureWater couvre cet intervalle en 13 modèles. La plupart des services d'eaux de fond de cuve tiennent donc dans cette gamme sans fabrication sur mesure. Choisissez le modèle pour que le débit nominal se situe à 70–85 % du débit de pointe de dimensionnement, après la marge hydraulique de 20–30 %.
Quelle concentration d'huile une FAD peut-elle traiter sur des eaux de fond de cuve ?
Une FAD bien dimensionnée et conditionnée traite 200–10 000 mg/L d'huile dans l'eau, avec un flux d'huile de dimensionnement tenu entre 15 et 40 kg/m²·h. Au-dessus de 10 000 mg/L, il faut un pré-coalesceur ou une FAD à deux étages. En dessous de 200 mg/L, le haut de la plage de charge superficielle (10–15 m/h) convient. Un flux d'huile au-dessus de 40 kg/m²·h fait en général s'effondrer le tapis de flottats dès le premier soutirage chargé.
La FAD seule suffit-elle pour les eaux de fond de cuve, ou un prétraitement est-il nécessaire ?
La FAD seule suffit rarement dès que l'huile émulsionnée dépasse 500 mg/L. La chimie de prétraitement est alors nécessaire. L'ajustement du pH entre 5 et 7, un coagulant à 30–50 mg/L et un floculant polymère sont la base. Utilisez un dosage asservi au débit pour suivre l'à-coup. Si les sédiments sont lourds, ajoutez une pré-décantation avant la FAD. La flottation en jarre doit confirmer l'accrochage avant le verrouillage des consignes hydrauliques.
À quelle fréquence faut-il retirer les flottats de la FAD ?
Sur une eau de fond de cuve de raffinerie type, raclez la couche de flottats toutes les 2 à 4 heures et purgez le sédiment de fond chaque jour. Ajustez le cycle du racleur selon l'épaisseur visuelle du flottat. Les bacs très chargés en sédiments peuvent exiger une purge de fond à chaque poste. Fixez les cycles habituels pendant les essais en jarre de mise en service. Un raclage trop lent laisse le tapis s'épaissir et renvoie l'huile dans la goulotte d'effluent.
Quelle pression de saturation en air est typique en service FAD industriel ?
La plage de marche va de 300 à 500 kPa, avec 400 kPa comme consigne type. L'étude DUT 2020 sur les huiles minérales place l'optimum de performance entre 350 et 425 kPa. Sous 300 kPa, le flux de bulles est trop faible. Au-dessus de 500 kPa, la masse d'air gagnée par kPa baisse et le coût du compresseur ne se justifie pas. Gardez le recyclage sur l'effluent clarifié, afin que le garnissage ne s'encrasse pas en quelques semaines.
