EP1907096A1 - Procede et dispositif de tri selectif de particules mettant en oeuvre au moins une force de thermophorese - Google Patents

Procede et dispositif de tri selectif de particules mettant en oeuvre au moins une force de thermophorese

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Publication number
EP1907096A1
EP1907096A1 EP06777519A EP06777519A EP1907096A1 EP 1907096 A1 EP1907096 A1 EP 1907096A1 EP 06777519 A EP06777519 A EP 06777519A EP 06777519 A EP06777519 A EP 06777519A EP 1907096 A1 EP1907096 A1 EP 1907096A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sorting
particles
collection means
zone
size
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06777519A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Renard
Michel Daniel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1907096A1 publication Critical patent/EP1907096A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07B—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS BY SIEVING, SCREENING, SIFTING OR BY USING GAS CURRENTS; SEPARATING BY OTHER DRY METHODS APPLICABLE TO BULK MATERIAL, e.g. LOOSE ARTICLES FIT TO BE HANDLED LIKE BULK MATERIAL
    • B07B13/00—Grading or sorting solid materials by dry methods, not otherwise provided for; Sorting articles otherwise than by indirectly controlled devices
    • B07B13/08—Grading or sorting solid materials by dry methods, not otherwise provided for; Sorting articles otherwise than by indirectly controlled devices according to weight
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07B—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS BY SIEVING, SCREENING, SIFTING OR BY USING GAS CURRENTS; SEPARATING BY OTHER DRY METHODS APPLICABLE TO BULK MATERIAL, e.g. LOOSE ARTICLES FIT TO BE HANDLED LIKE BULK MATERIAL
    • B07B13/00—Grading or sorting solid materials by dry methods, not otherwise provided for; Sorting articles otherwise than by indirectly controlled devices
    • B07B13/04—Grading or sorting solid materials by dry methods, not otherwise provided for; Sorting articles otherwise than by indirectly controlled devices according to size
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07B—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS BY SIEVING, SCREENING, SIFTING OR BY USING GAS CURRENTS; SEPARATING BY OTHER DRY METHODS APPLICABLE TO BULK MATERIAL, e.g. LOOSE ARTICLES FIT TO BE HANDLED LIKE BULK MATERIAL
    • B07B7/00—Selective separation of solid materials carried by, or dispersed in, gas currents

Definitions

  • the present invention relates to the field of sorting particles, in particular nanometric particles present in a gas or a liquid.
  • the invention provides a method of sorting particles according to their size and / or mass by means of at least one thermophoretic force created by a thermal gradient in a moving fluid carrying the particles.
  • the invention also provides a device for implementing such a sorting method, and finds applications in particular in air treatment systems or purification processes for example during the production of nano-particles, or in processes for filtering or trapping particles.
  • filter media separators in which a particulate-laden fluid passes through a porous medium, the pore size determining the size of the filtration system cut-off or the size limit below which the particles are no longer retained by the filter system; filtration,
  • hybrid filters in which separators of different natures are combined so as to increase the overall filtration efficiency, as well as the size selectivity, of the filtered particles.
  • These separation devices can be made to carry out operations of removal of particles in a fluid and apply to the collection of particles of size of the order of one micrometer, for example between 0.1 microns and 250 microns in diameter. .
  • Some of these separation devices may be used for classification or selective sorting of particles, the purpose of which is the separation of a group of particles into at least two particle fractions associated respectively with a size or a size range given.
  • the separation devices used for sorting particles in a fluid belong to the category of "mechanical effect separators", among which are in particular: static selection chambers, static cyclones, mechanical spiral selectors , mechanical rotors with horizontal rotors, mechanical selectors with vertical axis, etc.
  • the separating devices usually used to perform a function of sorting particles in a fluid have a limited effectiveness especially when the particle size is less than 500 nm.
  • the problem arises of finding a new method for collecting and / or sorting particles, in particular adapted to particles of sub-micron or nanometric sizes, as well as a device making it possible to implement such a method.
  • the invention relates to systems for collecting and / or sorting particles of small size (s), in particular submicron (s) or nanometric (s).
  • the invention relates first of all to a method for sorting particles, comprising: injecting a fluid comprising particles, in a zone called a "sorting zone" between at least a first element and at least a second element opposite. from each other and producing at least one temperature gradient in the sorting zone, allowing the particles to move to the second element and the particles to separate.
  • the particles sorted using such a process may be of different sizes and / or different masses.
  • the first element can be at least a first temperature or at least one first heat energy
  • the second element can be at least a second temperature, lower than the first temperature or can release at least a second thermal energy lower than the first thermal energy.
  • the first element and the second element can be parallel.
  • the fluid may possibly flow through the sorting zone according to a given principal direction of flow, producing a non-zero angle, for example orthogonal to the main direction of the thermal gradient formed by the first element and the second element.
  • the first element and the second element may be respectively in the form of a first plate and a second plate, at different temperatures.
  • first element and the second element may be respectively in the form of a first cylinder and a second cylinder, at different temperatures.
  • the first cylinder and the second cylinder can be arranged so that one is located inside the other.
  • the first cylinder and the second cylinder may be concentric.
  • the distribution of the collection means with respect to the second element and the entrance of the sorting zone may depend or be a function of the respective particle size or the respective range of particle sizes that these collection means are intended to collect.
  • the separation of the particles may comprise: the collection, by first collection means and by second collection means respectively, of at least a first set of particles of size (s) belonging to a first size range (s) of particles, and at least a second set of particles of size (s) belonging to a second size range (s) different from the sizes of the first range, the first collection means and the second collection means being disposed at the second element at respective different distances from the entrance of the sorting area.
  • the first collection means and the second collection means may be arranged along the second element, respectively at a first distance from the first range. entering the sorting area and at a second distance from the entrance of the sorting area larger than the first distance.
  • the first collection means may optionally comprise one or more first openings and at least one first conduit in the extension of the first openings, while the second collection means may optionally comprise one or more second openings and at least one second conduit in the extension. second openings, the second conduit being disjoint or distinct from the first conduit.
  • the sorted particles may have a size of less than 500 nanometers, or of at most 100 nanometers, or of at most 200 nanometers, or between 1 nanometer and 100 nanometers, or between 1 nanometer and 150 nanometers, or between 1 nanometer and 300 nanometers.
  • the sorting process according to the invention may further comprise, prior to the particle injection step in the sorting zone: a step of disintegrating clusters of particles.
  • a step of disintegrating clusters of particles may make it possible to improve the sorting selectivity and may be implemented for example using means for solvating the particles and / or an injection system comprising one or more baffles, and / or a system for imposing ultrasounds on particles.
  • the first element and the second element are capable of producing several thermal gradients of different respective intensities along the sorting zone.
  • the first element and the second element may be capable of producing at least a first thermal gradient in a sector of the sorting zone situated opposite the first collection means and at least a second thermal gradient of intensity different from that of the first gradient, in another sector of the sorting zone located next to the second collection means.
  • the intensity of the second thermal gradient may be greater than that of the first thermal gradient.
  • the invention also relates to a device for sorting particles, comprising:
  • sorting zone means for injecting a fluid comprising particles to be sorted into an area of the device, called a "sorting zone",
  • the distribution of the collection means with respect to the second element and the entrance of the sorting zone may depend or be a function of the respective particle size or the respective range of particle sizes that these collection means are intended to collect.
  • the collection means are distributed preferably at the level of the coldest element of the thermal gradient generation system.
  • the first element and the second element may be optionally parallel.
  • the latter may comprise respectively at least one first plate, and at least one second perforated plate, the first plate and the second plate being at different temperatures.
  • the latter may comprise respectively at least one first cylinder and at least one second perforated cylinder, the first cylinder and the second cylinder being at different temperatures.
  • the arrangement of the first cylinder and the second cylinder may be such that one of the first cylinder and the second cylinder is located at inside the other of the first cylinder and the second cylinder.
  • the first cylinder and the second cylinder may be concentric.
  • the collection means arranged at the second element may comprise: first collection means capable of collecting at least a first set of particles of size (s) belonging to a first size range (s), and second collection means able to collect at least a second set of particles of size (s) belonging to a second range of size (s) different from the sizes of the first range, the first collection means and the second collection means being arranged at the second element at respective different distances from the entrance of the sorting zone.
  • the first element and the second element can be provided for produce several temperature gradients of different intensities along the sorting area.
  • the first element and the second element may be provided, for example, to produce at least a first gradient of a first intensity in a sector of the sorting zone situated opposite the first collection means, and at least a second gradient of a second intensity different from the first intensity in another sector of the sorting zone situated next to the second collection means.
  • the first collection means may comprise one or more first openings and at least one first conduit in the extension of the first openings
  • the second collection means may comprise one or more second openings and at least a second conduit in the extension of the second openings, disjoint or distinct from the first conduit.
  • the sorting device may further comprise: means for disaggregating clusters of particles, prior to their injection of particles into the sorting zone. Such disintegration means may optionally be coupled to the injection means and may make it possible to improve the sorting efficiency.
  • the sorting device may further comprise: unclogging means or to prevent clogging. openings, for example using a system for setting the collection means in oscillation or for applying vibrations to the collection means.
  • the first element and the second element comprise means for producing several thermal gradients of different respective intensities along the sorting zone.
  • the first element and the second element may comprise means for producing at least a first thermal gradient in a sector of the sorting zone situated opposite the first collection means and at least a second thermal gradient, of different intensity from that of the first gradient, in another sector of the sorting zone situated next to the second collection means.
  • the second thermal gradient may be greater than the first thermal gradient.
  • FIGS. 1A-1C illustrate various stages of a method for sorting particles according to the invention, as well as a device making it possible to implement such a method
  • FIGS. 2A, 2B and 2C show fractions of separated particles sorted according to a size criterion by means of a sorting method according to the invention
  • FIGS. 3A and 3B illustrate examples of means for forming a thermal gradient within a sorting device according to the invention
  • FIG. 4 illustrates a variant of particle sorting device according to the invention
  • a process according to the invention involves a selective sorting of a group of particles according to their physical properties, by means of at least one thermophoretic force.
  • particles in particular elements, for example inorganic or biological, having a size ranging from 0.1 nanometer to several microns or less than 1 micrometer or less than 500 nanometers, and preferably not higher than 100 nanometers to ensure greater collection and / or sorting efficiency.
  • physical properties is meant in particular properties such as the size and / or the mass of particles.
  • particle size we mean their diameter, for example when the latter have a spherical or substantially spherical shape, or for other forms, the largest characteristic dimension of these particles. Particles of identical compositions, but of different sizes and / or respective masses, may also be sorted.
  • the particles 100 intended to be sorted have different sizes, and may have identical or similar compositions or be based on the same material, for example TiO 2 , obtained by thermal degradation of a titanium precursor. .
  • the particles 100 may be arranged firstly in a fluid (not referenced in FIG. 1A) called a "carrier fluid", for example a liquid such as water or, for example, a gas such as nitrogen or the air. It is therefore possible to choose the carrier fluid according to the nature, but also according to the size and / or mass of the particles to be sorted.
  • a carrier fluid for example a liquid such as water or, for example, a gas such as nitrogen or the air.
  • the carrier fluid comprising the particles 100 to be sorted is emitted by injection means (not shown) at the inlet 102a of a zone 102, which will be called a "sorting zone", and that the carrier fluid is intended for cross, from its entrance 102a to an exit noted 102b.
  • the injection means may for example be in the form of a pierced ring in which the carrier fluid circulates, coupled with a high pressure injector, capable of generating a mist of particles in the center of the crown.
  • a step of disintegrating clusters or agglomerates of particles, prior to an emission of the latter at the input 102a of the sorting zone, may be provided.
  • Such disintegration can be implemented by means of a system capable of suspending the particles in a liquid, pulverize them and possibly dry them.
  • the disintegration can also be carried out using a high pressure or very high pressure injection system, provided with at least one duct comprising one or more baffles.
  • a system in which the particles are placed in a liquid, for example such as water, then circulated in a conduit or a nozzle in which or in which ultrasound is imposed, and then are optionally sprayed at the outlet of a injector and possibly dried before being emitted in the sorting zone, can also be provided to implement such a disaggregation.
  • the entry 102a and the exit 102b of the sorting zone can be located at the same altitude.
  • the sorting zone is defined by a volume between a first element 110 and a second element 120, located opposite one another, and at different temperatures.
  • the sorting zone may have a length L (defined in FIG. 1A, in a direction parallel to the axis / of an orthogonal reference line [O; /; j; k]) for example between several centimeters and several meters, or for example of the order of 500 mm.
  • the first element 110 and the second element 120 may also be spaced apart by a distance e
  • the flow rate of the carrier fluid in the zone 102 may for example be between 0.1 liters per minute and 50 liters per minute, for example of the order of 2 liters per minute.
  • the first element 110 and the second element 120 are provided to be at different respective temperatures.
  • the first element 110 which will also be called a “hot” source, may be provided to be at least a temperature greater than a temperature at which the second element 120 is located, the latter being called a “cold” source.
  • the first element 110 may be designed to be at an average temperature greater than the average temperature of the second element 120.
  • the temperature at which the first element is located can be produced by means of a first fluid 112, for example a first liquid, circulated in the first element 110, and at a first temperature, for example of the order of 16O 0 C.
  • the first liquid 112 may be for example water or oil, heated for example by a boiler.
  • the temperature at which the second element 120 is located can be, for its part, produced by means of, for example, a second fluid 122, for example a second liquid circulating in the second element 120, and at a second temperature, for example of the order of 1O 0 C.
  • the second liquid may be for example cooled industrial water.
  • the first fluid 112 and the second fluid 122 may be cooled fluids or fluids heated to different respective temperatures.
  • the respective temperatures of the first element 110 and the second element 120 can be produced by means of electrical resistances or radiating elements, for example heated by a gas burner.
  • the respective temperatures at which the first element 110 and the second element 120 are carried can be modulated.
  • the first element 110 and the second element may be respectively associated with a first heating circuit, and one with a second heating circuit.
  • the first heating circuit may comprise means for modulating the temperature of the first element comprising for example at least one first adjustable electrical resistance.
  • the second heating circuit may also comprise means for modulating the temperature of the second element comprising for example at least a second adjustable electrical resistance.
  • the respective temperatures at which the first element 110 and the second element 120 are carried, or the respective thermal energies that the first element 110 and the second element 120 respectively release, are not necessarily uniform over the entire sorting zone 102.
  • the first element 110 and the second element 120 are designed to form at least one thermal gradient in the carrier fluid comprising the particles 100 to be sorted, when this fluid is moving in the sorting zone 102.
  • This thermal gradient creates a thermophoretic force, which force can result in a deviation of the particles 100 to the element 120 at the lowest temperature between the two elements 110 or 120.
  • Said gradient can be adjusted or modulated, in intensity and / or direction, globally, that is to say on the whole of the sorting zone 102, or in a localized manner on given regions of the sorting zone 102 .
  • the thermal gradient can be set to a fixed value, over the entire sorting zone 102, or possibly vary in intensity, along this zone 102.
  • the direction of the gradient may be such that it achieves a non-zero angle, for example of the order of 90 °, with the main direction of the carrier fluid velocity field (defined in FIG. 1A, in a direction parallel to FIG. axis / of an orthogonal reference [O; /; j; k]), this angle being module.
  • the direction of the gradient can be modulated, in order to modify or adjust the selectivity of the sorting.
  • the intensity of the gradient can also be adjusted or modulated, for example using means for modulating the distance e between the first element 110 and the second element 120, and / or means for modulating the respective temperature of the two elements 110. and 120.
  • the means for modulating the distance e may for example be formed of a system provided with one or more screws, for example micrometric.
  • the magnitude of the deviation of a given particle among the particles 100 is a function of or depends on the size and / or mass of that given particle. Particles of different sizes among the particles 100, will have different behaviors under the influence of the thermophoretic force, and can be sorted. The impact of the thermophoresis force respectively on the particles 100, or the importance of the thermophoretic force in the balance of forces, exerted respectively on the particles 100, depends on the size and / or the respective mass of the latter. .
  • the particles 100 are diverted towards the "cold" source 120.
  • the deviation that a given particle undergoes among the particles 100 toward the cold source is all the more important that the size and / or mass of this given particle is small.
  • the particles 100 move in this zone 102 over different lengths relative to each other, according to their respective sizes and / or masses, and move towards particle collection means associated with the element 120, all the more quickly as their size and / or mass is low.
  • Particle collection means are formed at the element 120, the coldest or at the lowest temperature of the two elements 110 and 120, and may comprise collection zones 124, 126, 128, formed or arranged along this element 120.
  • the collection areas 124, 126, 128 may be for example in the form of grids and are intended to collect sets or populations or different fractions of particles.
  • the sorting device may for example comprise a first collection zone 124, a second collection zone 126, a third collection zone 128, intended respectively to collect, a first fraction of particles associated with at least a first size or a first range of particle size (s), a second fraction of particles, associated with a second size greater than the first size or a second size range (s) higher than the size (s) of the first range , and a third fraction of particles associated with a third size higher than the second size or a third size range (s) higher than the size or sizes of the second range.
  • the sorting of different particle sizes can be done according to the respective position of the collection means or collection areas, so that more a collection zone is close to the entrance 102a, plus the particles collected by this zone are fine.
  • the respective arrangement of the collection areas 124, 126, 128, juxtaposed along the sorting area at the second element 120 with respect to the entry 102a of the sorting zone 102, can be provided depending on the size or of the range of particle sizes that these areas 124, 126, 128 are respectively intended to collect.
  • the first collection zone 124 may be closer to the inlet 102a of the sorting zone through which the carrier fluid is injected than the second collection zone 126, the second collection zone 126 being closer to the entry 102a than is the third collection area 126.
  • FIG. 1B shows that after a certain distance from the entrance 102a of the sorting zone 102, a first set or a first fraction 104 of particles of size (s) belonging to a first size range (s) ) of particles, has moved to and is near the first collection zone 124.
  • a second set or a second fraction 106 of particles of size (s) belonging to a second higher size range (s) than the size or sizes of the first range has moved to, and is close to, the second collection area 126.
  • a third set or a third fraction 108 of particles, of size (s) belonging to a third range of sizes higher than the size or sizes of the second range, or belonging to a third range of sizes is moved towards, and is located near, the third collection area 128.
  • the particle collection areas 124, 126, 128 may each include one or more lumens or apertures, respectively labeled 134, 136, 138, formed on along the "cold" source 120, and through which the particles are intended to pass.
  • the size of particles collected or particle size collected by the collector means along the second element may optionally vary uniformly along the second element.
  • the openings 134, 136, 138 may be provided to have a diameter for example of at least ten times or at least a hundred times the size of the particles to be sorted, for example between 1 .mu.m and 10 .mu.m. Then, the sets 104, 106, 108, of particles pass respectively through the openings 134, 136, 138.
  • Means for de-sealing (not shown) or for preventing clogging of the collection means 124, 126, 128 and in particular openings 134, 136, 138 may also be provided.
  • These unclogging means may comprise, for example, a system provided with a hammer and / or a system intended to apply vibrations to the collection zones or grids 124, 126, 128 and / or a system for oscillating the zones or grids. 124, 126, 128.
  • a duct or duct 144, 146, 148 for example with flared mouth, may be provided to recover separate fractions of sorted particles.
  • the ducts 144, 146, 148 do not communicate with each other or are separate or independent, and can lead respectively to storage means or a container 164, 166, 168, particle recovery.
  • the containers 164, 166, 168 may for example be pots designed to condition the particles in the dry phase or scrubbers.
  • the conduits 144, 146, 148 may optionally be coupled respectively to bypass systems opening onto several containers.
  • Means for discharging the carrier fluid at the outlet 102b of the sorting zone 102 may also be provided for example in the form of a cyclone (not shown). The cyclone can be cooled with respect to the carrier fluid.
  • FIG. 1C illustrates the particles 100 once separated and selectively sorted, and in particular the first fraction 104 of particles, the second fraction 106 of particles, and the third fraction 108 of particles, separated. These fractions 104, 106, and 108 are respectively in the container 164, the container 166, and the container 168.
  • the respective temperatures at which the first element 110 and / or the second element 120 are worn are not uniform along zone 102 of sorting. According to this variant, thermal gradients of different respective intensities can be produced along the sorting zone 102.
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of such a variant, for which regions 151, 152, 153, of the first element 110 are set to respective different temperatures.
  • the second element 120 may be associated with a cooling circuit comprising a fluid 122, for example a liquid circulating in the second element 120, and at a second temperature, for example of the order of 100 ° C. vs.
  • the first element 110 may be in the form of a plate 160 or a conduit 160 associated with several separate heating circuits 171, 172, 173, distributed along the sorting zone.
  • a first heating circuit 171 comprising, for example, a fluid 181 circulating at a given temperature T1, for example of the order of 100 ° C., may be in contact with the plate 160 or the duct 160 and makes it possible to place a first region 151 from plate 160 or conduit 160 to a first temperature.
  • the first region 151 may be located opposite the first collection means 124.
  • a first thermal gradient of a first intensity can be formed in a first sector of the sorting zone 102, located between the first region 151 and the first collection means 124.
  • a second heating circuit 172 comprising, for example, a fluid 182 in circulation and at a temperature T2, for example of the order of 200 ° C., different from T1, may be in contact with the plate 160 or the duct 160 and makes it possible to placing a second region 152 of the plate 160 or conduit 160 at a second temperature different from the first temperature.
  • This second region 152 may be located next to the second collection means 126 of the sorting zone 102.
  • a second thermal gradient of an intensity different from that of the first gradient may be formed in a second sector of the sorting zone 102, located between the second region 152 and the second collection means 126.
  • the intensity of the second gradient may be adjusted to be greater than that of the first gradient.
  • a third heating circuit 173 comprising, for example, a fluid 183 circulating at a temperature T3, for example of the order of 300 ° C., different from T1 and T2, may be in contact with the plate 160 or the duct 160, and makes it possible to place a third region 153 of the plate 160 or the duct 160 at a third temperature, different from the first temperature and the second temperature.
  • This third region 153 may be located opposite the third means of 128.
  • a third thermal gradient of a third intensity, different from the first intensity and the second intensity can be formed.
  • the respective intensities of the first gradient in the first sector, the second gradient in the second sector and the third gradient in the third sector can be provided according to the respective sizes or size ranges that the first collection means, the second means. collection and the third collection means are intended to collect.
  • the intensity of the third thermal gradient may be adjusted to be higher than that of the second thermal gradient, the intensity of the second thermal gradient being adjustable to be higher than that of the first thermal gradient.
  • the first element 110 and the second element 120 may be in the form, respectively, of a first plate 210 and a second plate 220, for example rectangular and of length L for example of the order of 500 mm defining the length of the sorting zone 102, and width 1 for example of the order of 150 mm.
  • the first plate 210 and the second plate 220 may be parallel to each other, and situated at a distance e, for example of the order of 2 mm from each other, and set at different temperatures relative to each other. the other.
  • the second plate 220 may also comprise means for collecting particles in the form of openings 244, 246, 248 or lights respectively associated with separate or separate recovery ducts or particle storage means (not shown).
  • the first element 110 and the second element 120 may be in the form of a first cylinder 310 and a second cylinder 320 respectively, situated at a distance e 1 on the other, the first cylinder and the second cylinder being at different temperatures relative to each other.
  • the second cylinder 320 may also comprise means for collecting particles in the form of openings 344, 346, 348 or lights respectively associated with separate or separate recovery ducts or particle storage means (not shown).
  • the first cylinder 310 may be located within the second cylinder 320.
  • the first cylinder 310 and the second cylinder 320 may be concentric.
  • the second cylinder 320 may be located inside the first cylinder.
  • Such an arrangement with elements 110 and 120 in the form of cylinders 310 and 320 makes it possible to obtain improved stability of the thermal gradient (s).
  • This arrangement confers good homogeneity in the circulation of the carrier fluid between the elements 110 and 120 and / or fluids circulating in the element 110 and / or 120.
  • FIGS. 2A, 2B, 2C illustrate an example of a sorting result of particles, implemented using a process according to the invention, in particular in three fractions 204, 206, 208, separated from particles sorted according to a size criterion.
  • a first fraction 204 comprises particles of size (s) belonging to a first particle size range (FIG. 2A).
  • a second fraction 206 comprises particles of size (s) belonging to a second range of sizes different from those of the first range (FIG. 2B).
  • a third fraction 208 comprises particles of size (s) belonging to a third range of particle sizes different from the sizes of the first and second ranges (FIG. 2C).
  • the following table summarizes statistical data relating to the particle sizes in the first fraction 204, in the second fraction 206, and in the third fraction 208.
  • the invention is not limited to sorting particles of identical compositions. Particles of different compositions having sizes and / or Different masses may be sorted by injecting a fluid comprising the particles of different compositions into a so-called "sorting zone" between at least the first element 110 and the second element 120 belonging to the sorting device as described above.
  • the invention has applications in the field of the purification or filtering of submicron or nanometric particles, for example for the treatment of air.
  • An air treatment system equipped with a particle sorting device according to the invention for trapping nano-powders and avoiding contamination, for example, can be implemented.
  • the invention also has applications in processes for producing nanoparticles or powders, in which it is necessary to carry out a selective sorting of particles according to a size criterion.

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  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de tri de particules, comprenant: l'injection d'un fluide comportant des particules (100), dans une zone dite « zone de tri » entre au moins un premier élément (110) et au moins deuxième élément (120) en regard l'un de l'autre et produisant au moins un gradient de température dans la zone de tri, permettant le déplacement des particules vers le deuxième élément et la séparation des particules. L'invention concerne également un dispositif permettant de mettre en oeuvre un tel procédé.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRI SELECTIF DE PARTICULES METTANT EN OEUVRE AU MOINS UNE FORCE DE THERMOPHORESE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention concerne le domaine du tri de particules, en particulier de particules nanométriques présentes dans un gaz ou un liquide. L'invention prévoit un procédé de tri de particules en fonction de leur taille et/ou de leur masse, au moyen d' au moins une force de thermophorèse créée par un gradient thermique dans un fluide en mouvement, porteur des particules.
L'invention prévoit également un dispositif permettant de mettre en œuvre un tel procédé de tri, et trouve des applications notamment dans des systèmes de traitement de l'air ou des procédés de purification par exemple lors de l'élaboration de nano-particules, ou dans des procédés de filtration ou de piégeage de particules.
ART ANTÉRIEUR
Les documents suivants : « Recensement des nouvelles techniques de dépoussiérage » rapport CETIAT n°NTV 2003/038, juillet 2003 et « Dépoussiérage et dévésiculage », Technique de l'Ingénieur (J 3 580) recensent différents types de dispositifs de séparation de particules. Ces dispositifs exploitent certaines forces mises en jeu lors du mouvement de particules en suspension dans un fluide. Parmi ces forces figurent notamment : la force de flottabilité, la force de traînée générée par la résistance du fluide au passage de la particule, la force Brownienne ou l'agitation moléculaire du fluide, la force de masse ajoutée, la force de Basset, les forces de gradient de pression, les forces dites de « lift ».
Parmi les dispositifs existants de séparation de particules dans un fluide, on distingue notamment : - des dispositifs de séparation dits « à effet mécanique », utilisant les lois de la mécanique des aérosols pour provoquer une séparation de particules dans un flux gazeux,
- les séparateurs dits « à effet électrique », dans lesquels, des particules à collecter dans un fluide sont chargées électriquement par l'intermédiaire d'un gaz ionisé par des électrodes,
- les séparateurs à média filtrant, dans lesquels un fluide chargé en particules traverse un milieu poreux, la dimension des pores déterminant la dimension de coupure du système de filtration ou la taille limite en dessous de laquelle les particules ne sont plus retenues par le système de filtration,
- les séparateurs humides ou laveurs, mettant en œuvre un piégeage de particules en milieu humide,
- les filtres hybrides, dans lesquels des séparateurs de natures différentes sont combinés de manière à augmenter l'efficacité globale de filtrage, ainsi que la sélectivité en taille, des particules filtrées . Ces dispositifs de séparation peuvent être amenés à effectuer des opérations d'élimination de particules dans un fluide et s'appliquent à la collecte de particules de taille de l'ordre du micromètre, par exemple comprises entre 0,1 μm et 250 μm de diamètre. Certains de ces dispositifs de séparation peuvent être utilisés en vue d'une classification ou d'un tri sélectif de particules, dont la finalité est la séparation d'un groupe de particules en au moins deux fractions de particules associées respectivement à une taille ou une gamme de tailles donnée.
En général, les dispositifs de séparation utilisés pour effectuer un tri de particules dans un fluide appartiennent à la catégorie des « séparateurs à effet mécanique », parmi lesquels on compte notamment : les chambres de sélection statiques, les cyclones statiques, les sélecteurs mécaniques à spirale, les sélecteurs mécaniques à rotors horizontaux, les sélecteurs mécaniques à axe vertical, etc. Cependant, les dispositifs de séparations habituellement utilisées pour remplir une fonction de tri de particules dans un fluide ont une efficacité limitée notamment lorsque la taille des particules est inférieure à 500 nm. II se pose le problème de trouver un nouveau procédé pour collecter et/ou trier des particules, en particulier adapté à des particules de tailles submicroniques ou nanométriques, ainsi qu'un dispositif permettant de mettre en œuvre un tel procédé. EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention concerne des systèmes pour collecter et/ou trier des particules de faible (s) taille (s), en particulier submicronique (s) ou nanométrique (s) .
L'invention concerne tout d'abord un procédé de tri de particules, comprenant: l'injection d'un fluide comportant des particules, dans une zone dite « zone de tri » entre au moins un premier élément et au moins deuxième élément en regard l'un de l'autre et produisant au moins un gradient de température dans la zone de tri, permettant le déplacement des particules vers le deuxième élément et la séparation des particules. Les particules triées à l'aide d'un tel procédé peuvent être de tailles différentes et/ou de masses différentes.
Le premier élément peut être à au moins une première température ou dégager au moins une première énergie thermique, tandis que le deuxième élément peut être à au moins une deuxième température, inférieure à la première température ou peut dégager au moins une deuxième énergie thermique inférieure à la première énergie thermique. Selon une possibilité de mise en œuvre du procédé, le premier élément et le deuxième élément peuvent être parallèles.
Le fluide peut éventuellement s'écouler à travers la zone de tri selon une direction principale d'écoulement donnée, réalisant un angle non nul, par exemple orthogonal avec la direction principale du gradient thermique formé par le premier élément et le deuxième élément .
Selon une variante, le premier élément et le deuxième élément peuvent être sous forme respectivement d'une première plaque et d'une deuxième plaque, à des températures différentes.
Selon une autre variante, le premier élément et le deuxième élément peuvent être sous forme respectivement d'un premier cylindre et d'un deuxième cylindre, à des températures différentes.
Le premier cylindre et le deuxième cylindre peuvent être agencés de sorte que l'un est situé à l'intérieur de l'autre.
Selon une variante, le premier cylindre et le deuxième cylindre peuvent être concentriques.
La répartition des moyens de collecte par rapport au deuxième élément et à l'entrée de la zone de tri, peut dépendre ou être fonction de la taille respective de particules ou de la gamme respective de tailles de particules que ces moyens de collecte sont destinés à collecter.
Selon une mise en œuvre du procédé dans laquelle les particules sont injectées en entrée de la zone de tri, la séparation des particules peut comprendre : la collecte, par des premiers moyens de collecte et par des deuxièmes moyens de collecte respectivement, d'au moins un premier ensemble de particules de taille (s) appartenant à une première gamme de taille (s) de particules, et d'au moins un deuxième ensemble de particules de taille (s) appartenant à une deuxième gamme de taille (s) différentes des tailles de la première gamme, les premiers moyens de collecte et les deuxième moyens de collecte étant disposés au niveau du deuxième élément à des distances respectives différentes de l'entrée de la zone de tri.
Selon une variante pour laquelle, les tailles de la première gamme sont plus faibles que les tailles de la deuxième gamme, les premiers moyens de collecte et les deuxièmes moyens de collecte peuvent être disposés le long du deuxième élément, respectivement à une première distance de l'entrée de la zone de tri et à une deuxième distance de l'entrée de la zone de tri plus grande que la première distance.
Les premiers moyens de collecte peuvent éventuellement comporter une ou plusieurs premières ouvertures et au moins un premier conduit dans le prolongement des premières ouvertures, tandis que les deuxièmes moyens de collecte peuvent éventuellement comporter une ou plusieurs deuxièmes ouvertures et au moins un deuxième conduit dans le prolongement des deuxième ouvertures, le deuxième conduit étant disjoint ou distinct du premier conduit.
Les particules triées peuvent avoir une taille inférieure à 500 nanomètres ou d'au plus 100 nanomètres ou d'au plus 200 nanomètres, ou comprise entre 1 nanomètre et 100 nanomètres, ou comprise entre 1 nanomètre et 150 nanomètres, ou comprise entre 1 nanomètre et 300 nanomètres.
Selon une possibilité, le procédé de tri selon l'invention peut comprendre en outre, préalablement à l'étape d'injection des particules dans la zone de tri : une étape de désagrégation d'amas de particules. Une telle étape peut permettre d'améliorer la sélectivité du tri et peut être mise en œuvre par exemple à l'aide de moyens pour solvater les particules et/ou d'un système d'injection comportant une ou plusieurs chicanes, et/ou d'un système pour imposer des ultrasons aux particules.
Selon une variante, le premier élément et le deuxième élément, sont aptes à produire plusieurs gradients thermiques d'intensités respectives différentes le long de la zone de tri.
Le premier élément et le deuxième élément, peuvent être aptes à produire au moins un premier gradient thermique dans un secteur de la zone de tri situé en regard des premiers moyens de collecte et au moins un deuxième gradient thermique, d'intensité différente de celle du premier gradient, dans un autre secteur de la zone de tri situé en regard des deuxièmes moyens de collecte. L'intensité du deuxième gradient thermique peut être supérieure à celle du premier gradient thermique.
L'invention concerne également un dispositif de tri de particules, comprenant :
- des moyens pour injecter un fluide comportant des particules à trier dans une zone du dispositif, dite « zone de tri »,
- au moins un premier élément et au moins deuxième élément, situés en regard l'un de l'autre, et aptes à produire au moins un gradient de température dans la zone de tri, - des moyens de collecte de particules répartis dans la zone de tri au niveau du deuxième élément, associés au deuxième élément, et à des moyens de stockage et/ou de récupération de particules respectifs distincts.
La répartition des moyens de collecte par rapport au deuxième élément et à l'entrée de la zone de tri, peut dépendre ou être fonction de la taille respective de particules ou de la gamme respective de tailles de particules que ces moyens de collecte sont destinés à collecter. Les moyens de collecte sont répartis de préférence au niveau de l'élément le plus froid du système de génération du gradient thermique.
Le premier élément et le deuxième élément peuvent être éventuellement parallèles.
Selon une possibilité de mise en œuvre du premier élément et du deuxième élément, ces derniers peuvent comporter respectivement au moins une première plaque, et au moins une deuxième plaque ajourée, la première plaque et la deuxième plaque étant à des températures différentes.
Selon une variante de mise en œuvre du premier et du deuxième élément, ces derniers peuvent comporter respectivement au moins un premier cylindre et au moins un deuxième cylindre ajouré, le premier cylindre et le deuxième cylindre étant à des températures différentes.
L' agencement du premier cylindre et du deuxième cylindre peut être tel que l'un du premier cylindre et du deuxième cylindre est situé à l'intérieur de l'autre du premier cylindre et du deuxième cylindre.
Selon une variante, le premier cylindre et le deuxième cylindre peuvent être concentriques. Selon une possibilité de mise en œuvre du dispositif de tri de particules dans laquelle la zone de tri comporte une entrée par laquelle le fluide est destiné à être injecté, les moyens de collecte disposés au niveau du deuxième élément peuvent comprendre : des premiers moyens de collecte aptes à collecter au moins un premier ensemble de particules de taille (s) appartenant à une première gamme de taille (s), et des deuxièmes moyens de collecte aptes à collecter au moins un deuxième ensemble de particules de taille (s) appartenant à une deuxième gamme de taille (s) différentes des tailles de la première gamme, les premiers moyens de collecte et les deuxième moyens de collecte étant disposés au niveau du deuxième élément à des distances respectives différentes de l'entrée de la zone de tri.
Selon une variante, dans laquelle les tailles de la première gamme sont plus faibles que les tailles de la deuxième gamme, les premiers moyens de collecte et les deuxièmes moyens de collecte étant disposés le long du deuxième élément, respectivement à une première distance de l'entrée de la zone de tri et à une deuxième distance de l'entrée de la zone de tri, la deuxième distance peut être plus élevée que la première distance. Selon une possibilité, le premier élément et le deuxième élément peuvent être prévus pour produire plusieurs gradients de température d'intensités différentes le long de la zone de tri. Le premier élément et le deuxième élément peuvent être prévus par exemple pour produire au moins un premier gradient d'une première intensité dans un secteur de la zone de tri situé en regard des premiers moyens de collecte, et au moins un deuxième gradient d'une deuxième intensité différente de la première intensité dans un autre secteur de la zone de tri situé en regard des deuxième moyens de collecte.
Selon une possibilité de mise en œuvre des moyens de collecte, les premiers moyens de collecte peuvent comporter une ou plusieurs premières ouvertures et au moins un premier conduit dans le prolongement des premières ouvertures, tandis que les deuxièmes moyens de collecte peuvent comporter une ou plusieurs deuxièmes ouvertures et au moins un deuxième conduit dans le prolongement des deuxième ouvertures, disjoint ou distinct du premier conduit. Selon une possibilité, le dispositif de tri peut comprendre en outre : des moyens pour désagréger des amas de particules, préalablement à leur injection des particules dans la zone de tri. De tels moyens de désagrégation peuvent être éventuellement couplés aux moyens d'injection et peuvent permettre d'améliorer l'efficacité du tri.
Selon une variante de mise en œuvre du dispositif de tri dans laquelle les moyens de collecte comportent une pluralité d'ouvertures, le dispositif de tri peut comprendre en outre : des moyens de décolmatage ou pour empêcher un colmatage des ouvertures, par exemple à l'aide d'un système pour mettre les moyens de collecte en oscillation ou pour appliquer des vibrations sur les moyens de collecte.
Selon une variante, le premier élément et le deuxième élément, comprennent des moyens pour produire plusieurs gradients thermiques d'intensités respectives différentes le long de la zone de tri.
Le premier élément et le deuxième élément, peuvent comprendre des moyens pour produire au moins un premier gradient thermique dans un secteur de la zone de tri situé en regard des premiers moyens de collecte et au moins un deuxième gradient thermique, d'intensité différente de celle du premier gradient, dans un autre secteur de la zone de tri situé en regard des deuxièmes moyens de collecte. Le deuxième gradient thermique peut être supérieur au premier gradient thermique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- les figures IA-IC illustrent différentes étapes d'un procédé de tri de particules selon l'invention, ainsi qu'un dispositif permettant de mettre en œuvre un tel procédé,
- les figures 2A, 2B, 2C, représentent des fractions de particules séparées et triées selon un critère de taille à l'aide d'un procédé de tri selon l'invention, - les figures 3A et 3B illustrent des exemples de moyens pour former un gradient thermique au sein d'un dispositif de tri suivant l'invention,
- la figure 4 illustre une variante de dispositif de tri de particules selon l'invention,
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un procédé suivant l'invention met en oeuvre un tri sélectif d'un groupe de particules en fonction de leurs propriétés physiques, au moyen d'au moins une force de thermophorèse .
Par particules, on entend en particulier des éléments, par exemple inorganiques ou biologiques, ayant une taille pouvant aller de 0,1 nanomètre à plusieurs micromètres ou de taille inférieure à 1 micromètre ou de taille inférieure à 500 nanomètres, et de préférence pas plus élevée que 100 nanomètres pour assurer une plus grande efficacité de collecte et/ou de tri. Par propriétés physiques on entend en particulier des propriétés telles que la taille ou/et la masse de particules. Par taille des particules, on entend leur diamètre, par exemple lorsque ces dernières ont une forme sphérique ou sensiblement sphérique, ou pour d'autres formes, la plus grande dimension caractéristique de ces particules. Des particules de compositions identiques, mais de tailles ou/et de masses respectives différentes pourront être également triées.
Un exemple de procédé de tri de particules selon la présente invention, suivant un critère de taille ou de granulométrie, va à présent être décrit en liaison avec les figures 1A-1C. Dans cet exemple, les particules 100 destinées à être triées ont des tailles différentes, et peuvent avoir des compositions identiques ou proches ou être à base d'un même matériau, par exemple du TiO2, obtenu par dégradation thermique d'un précurseur de Titane.
Les particules 100 peuvent être disposées tout d' abord dans un fluide (non référencé sur la figure IA) dit « fluide porteur », par exemple un liquide tel que de l'eau ou par exemple un gaz tel que de l'azote ou de l'air. On peut donc choisir le fluide porteur suivant la nature, mais aussi suivant la taille et/ou la masse des particules à trier.
Le fluide porteur comprenant les particules 100 à trier, est émis par des moyens d'injection (non représentés) en entrée 102a d'une zone 102, que l'on nommera « zone de tri », et que le fluide porteur est destiné à traverser, depuis son entrée 102a vers une sortie notée 102b. Les moyens d'injection peuvent être par exemple sous forme d'une couronne percée dans laquelle circule le fluide porteur, couplée à un injecteur haute pression, apte à générer un brouillard de particules au centre de la couronne.
Une étape de désagrégation d' amas ou d'agglomérats de particules, préalablement à une émission de ces dernières en entrée 102a de la zone de tri, peut être prévue. Une telle désagrégation peut être mise en œuvre au moyen d'un système apte à mettre en suspension les particules dans un liquide, les pulvériser et éventuellement les sécher. La désagrégation peut être également réalisée à l'aide d'un système d'injection à haute pression ou très haute pression, doté d'au moins un conduit comportant une ou plusieurs chicanes. Un système dans lequel les particules sont placées dans un liquide, par exemple tel que de l'eau, puis mises en circulation dans un conduit ou une buse dans lequel ou dans laquelle on impose des ultrasons, puis sont éventuellement pulvérisées en sortie d'un injecteur et éventuellement séchées avant d'être émises dans la zone de tri, peut être également prévu pour mettre en oeuvre une telle désagrégation.
L'entrée 102a et la sortie 102b de la zone de tri, peuvent être situées à la même altitude.
La zone de tri est définie par un volume entre un premier élément 110 et un deuxième élément 120, situés en regard l'un de l'autre, et à des températures différentes.
La zone de tri peut avoir une longueur L (définie sur la figure IA, dans une direction parallèle à l'axe / d'un repère orthogonal [O ; / ; j ; k]) par exemple comprise entre plusieurs centimètres et plusieurs mètres, ou par exemple de l'ordre de 500 mm.
Le premier élément 110 et le deuxième élément 120 peuvent être également espacés d'une distance e
(définie sur la figure IA, dans une direction parallèle à l'axe j d'un repère orthogonal [0 ; / ; j ; k]) qui peut être de l'ordre de plusieurs millimètres, par exemple de l'ordre de 2 millimètres, ou par exemple comprise entre 1 micromètre et 1 centimètre. Le débit du fluide porteur dans la zone 102 peut être par exemple compris entre 0,1 litres par minute et 50 litres par minute, par exemple de l'ordre de 2 litres par minute.
Le premier élément 110 et le deuxième élément 120 sont prévus pour être à des températures respectives différentes. Le premier élément 110, que l'on appellera également source « chaude », peut être prévu pour être à au moins une température supérieure à une température à laquelle se trouve le deuxième élément 120, ce dernier étant appelé source « froide ». Le premier élément 110 peut être prévu pour être à une température moyenne supérieure à la température moyenne du deuxième élément 120. Par source « chaude » et source « froide » on entend des sources à des températures respectives différentes, de sorte que la température moyenne de la source dite « chaude » est supérieure à la température moyenne de la source dite « froide ».
Selon une possibilité de mise en œuvre, la température à laquelle se trouve le premier élément peut être produite au moyen d'un premier fluide 112, par exemple un premier liquide, mis en circulation dans le premier élément 110, et à une première température, par exemple de l'ordre de 16O0C. Le premier liquide 112 peut être par exemple de l'eau ou de l'huile, chauffée par exemple par une chaudière. La température à laquelle se trouve le deuxième élément 120 peut être, quant à elle, produite au moyen, par exemple, d'un deuxième fluide 122, par exemple un deuxième liquide en circulation dans le deuxième élément 120, et à une deuxième température, par exemple de l'ordre de 1O0C. Le deuxième liquide peut être par exemple de l'eau industrielle refroidie. Selon une variante, le premier fluide 112 et le deuxième fluide 122 peuvent être des fluides refroidis ou des fluides chauffés à des températures respectives différentes. Selon une autre possibilité de mise en œuvre, les températures respectives du premier élément 110 et du deuxième élément 120 peuvent être produites au moyen de résistances électriques ou d'élément rayonnants, par exemples chauffés par un brûleur au gaz.
Les températures respectives auxquelles le premier élément 110 et le deuxième élément 120 sont portés peuvent être modulées. Le premier élément 110 et le deuxième élément peuvent être associés respectivement à un premier circuit de chauffage, et un à un deuxième circuit de chauffage. Le premier circuit de chauffage peut comprendre des moyens pour moduler la température du premier élément comportant par exemple au moins une première résistance électrique modulable. Le deuxième circuit de chauffage peut également comprendre des moyens pour moduler la température du deuxième élément comportant par exemple au moins une deuxième résistance électrique modulable.
Les températures respectives auxquelles le premier élément 110 et le deuxième élément 120 sont portés, ou les énergies thermiques respectives que le premier élément 110 et le deuxième élément 120 dégagent respectivement, ne sont pas nécessairement uniformes sur toute la zone 102 de tri.
Le premier élément 110 et le deuxième élément 120 sont prévus pour former au moins un gradient thermique dans le fluide porteur comportant les particules 100 à trier, lorsque ce fluide est en déplacement dans la zone 102 de tri. Ce gradient thermique crée une force de thermophorèse, laquelle force peut se traduire par une déviation des particules 100 vers l'élément 120 se trouvant à la température la plus basse entre les deux éléments 110 ou 120.
Ledit gradient peut être ajusté ou modulé, en intensité et/ou en direction, de manière globale, c'est à dire sur l'ensemble de la zone 102 de tri, ou de manière localisée sur des régions données de la zone 102 de tri. Le gradient thermique peut être réglé à une valeur fixe, sur l'ensemble de la zone 102 de tri, ou éventuellement varier en intensité, le long de cette zone 102.
La direction du gradient peut être telle qu'elle réalise un angle non nul, par exemple de l'ordre de 90°, avec la direction principale du champ des vitesses du fluide porteur (définie sur la figure IA, dans une direction parallèle à l'axe / d'un repère orthogonal [O ; / ; j ; k ] ) , cet angle pouvant être modulé. La direction du gradient peut être modulée, afin de modifier ou d'ajuster la sélectivité du tri.
L' intensité du gradient peut être également ajustée ou modulée, par exemple à l'aide de moyens pour moduler la distance e entre le premier élément 110 et le deuxième élément 120, ou/et de moyens pour moduler la température respective des deux éléments 110 et 120.
Les moyens pour moduler la distance e peuvent être par exemple formés d'un système doté d'une ou plusieurs vis, par exemple micrométriques.
L'ampleur de la déviation d'une particule donnée parmi les particules 100, est fonction ou dépend de la taille et/ou de la masse de cette particule donnée. Des particules de tailles différentes parmi les particules 100, auront des comportements différents sous l'influence de la force de thermophorèse, et pourront être triées. L'impact de la force de thermophorèse respectivement sur les particules 100, ou l'importance de la force de thermophorèse dans le bilan des forces, exercé respectivement sur les particules 100, dépend de la taille et/ou de la masse respective de ces dernières.
Dès lors qu'elles parviennent en entrée 102a de la zone 102 de tri, les particules 100 sont déviées vers la source « froide » 120. La déviation que subit une particule donnée parmi les particules 100 vers la source froide, est d'autant plus importante que la taille et/ou la masse de cette particule donnée est faible . Après avoir été injectées en entrée 102a de la zone 102 de tri, les particules 100 se déplacent dans cette zone 102 sur des longueurs différentes les unes par rapport aux autres, en fonction de leurs tailles et/ou masses respectives, et se dirigent vers des moyens de collecte de particules associés à l'élément 120, d'autant plus rapidement que leur taille et/ou leur masse est faible.
Des moyens de collecte de particules sont formés au niveau de l'élément 120, le plus froid ou se trouvant à la température la plus basse des deux éléments 110 et 120, et peuvent comprendre des zones de collecte 124, 126, 128, formées ou disposées le long de cet élément 120. Les zones de collecte 124, 126, 128, peuvent être par exemple sous forme de grilles et sont destinés à collecter des ensembles ou des populations ou des fractions différentes de particules. Le dispositif de tri peut par exemple comprendre une première zone de collecte 124, une deuxième zone de collecte 126, une troisième zone de collecte 128, destinées respectivement à collecter, une première fraction de particules associées à au moins une première taille ou à une première gamme de taille (s) de particules, une deuxième fraction de particules, associées à une deuxième taille plus élevée que la première taille ou à une deuxième gamme de taille (s) plus élevées que la ou les taille (s) de la première gamme, et une troisième fraction de particules associées à une troisième taille plus élevée que la deuxième taille ou à une troisième gamme de taille (s) plus élevées que la ou les taille (s) de la deuxième gamme. Pour une configuration donnée par exemple un gradient de température et une distance entre source chaude et froide données, le tri des différentes tailles de particules peut se faire en fonction de la position respective des moyens de collecte ou des zones de collecte, de sorte que plus une zone de collecte est proche de l'entrée 102a, plus les particules collectées par cette zone sont fines.
La disposition respective des zones de collecte 124, 126, 128, juxtaposées le long de la zone de tri au niveau du deuxième élément 120 par rapport à l'entrée 102a de la zone 102 de tri, peut être prévue en fonction de la taille ou de la gamme de tailles de particules que ces zones 124, 126, 128, sont destinées respectivement à collecter. La première zone de collecte 124 peut être plus proche de l'entrée 102a de la zone de tri par laquelle le fluide porteur est injecté que la deuxième zone de collecte 126, la deuxième zone de collecte 126 étant quant à elle plus proche de l'entrée 102a que ne l'est la troisième zone de collecte 126.
La figure IB, montre qu'au bout d'une certaine distance de l'entrée 102a de la zone de tri 102, un premier ensemble ou une première fraction 104 de particules de taille (s) appartenant à une première gamme de taille (s) de particules, s'est déplacé vers, et se trouve à proximité de la première zone de collecte 124.
Un deuxième ensemble ou une deuxième fraction 106 de particules de taille (s) appartenant à une deuxième gamme de tailles plus élevée (s) que la taille ou les tailles de la première gamme, s'est déplacée vers, et se trouve à proximité de, la deuxième zone 126 de collecte. Un troisième ensemble ou une troisième fraction 108 de particules, de taille (s) appartenant à une troisième gamme de tailles plus élevée (s) que la taille ou les tailles de la deuxième gamme, ou appartenant à une troisième gamme de tailles, s'est déplacée vers, et se trouve à proximité de, la troisième zone de collecte 128. Les zones de collecte 124, 126, 128, de particules peuvent comporter chacune une ou plusieurs lumières ou ouvertures, respectivement notées 134, 136, 138, formées le long de la source « froide » 120, et à travers lesquelles les particules sont destinées à passer.
La taille de particules collectées ou la granulométrie de particules collectées par les moyens collecteurs le long du deuxième élément peut éventuellement varier uniformément le long du deuxième élément. Les ouvertures 134, 136, 138, peuvent être prévues pour avoir un diamètre par exemple d' au moins dix fois ou d' au moins cent fois la taille des particules à trier, par exemple compris entre 1 μm et 10 μm. Ensuite, les ensembles 104, 106, 108, de particules passent respectivement à travers les ouvertures 134, 136, 138.
Des moyens pour dé-colmater (non représentés) ou pour empêcher un colmatage des moyens de collecte 124, 126, 128 et en particulier des ouvertures 134, 136, 138, peuvent être également prévus. Ces moyens de décolmatage peuvent comprendre par exemple un système doté d'un marteau et/ou un système destiné à appliquer des vibrations sur les zones ou grilles de collecte 124, 126, 128 et/ou un système pour mettre en oscillation les zones ou grilles de collecte 124, 126, 128.
Dans le prolongement respectif de ces ouvertures 134, 136, 138, un conduit ou une canalisation 144, 146, 148, par exemple à embouchure évasée, peut être prévue pour récupérer des fractions séparées de particules triées. Les conduits 144, 146, 148, ne communiquent pas entre eux ou sont distincts ou indépendants, et peuvent déboucher respectivement sur des moyens de stockage ou un récipient 164, 166, 168, de récupération des particules. Les récipients 164, 166, 168, peuvent être par exemple des pots prévus pour conditionner les particules en phase sèche ou bien des laveurs. Les conduits 144, 146, 148, peuvent être éventuellement couplés respectivement à des systèmes à bipasse débouchant sur plusieurs récipients. Des moyens d'évacuation du fluide porteur en sortie 102b de la zone 102 de tri peuvent être également prévus par exemple sous forme d'un cyclone (non représenté) . Le cyclone peut être refroidi par rapport au fluide porteur.
La figure IC illustre les particules 100 une fois séparées et triées sélectivement, et en particulier la première fraction 104 de particules, la deuxième fraction 106 de particules, et la troisième fraction 108 de particules, séparées. Ces fractions 104, 106, et 108 se trouvent respectivement dans le récipient 164, le récipient 166, et le récipient 168.
Selon une variante de mise en œuvre du procédé et du dispositif de tri décrits précédemment en liaison avec les figures IA à IC, les températures respectives auxquelles le premier élément 110 et/ou le deuxième élément 120 sont portés, ne sont pas uniformes le long de la zone 102 de tri. Selon cette variante, des gradients thermiques d'intensités respectives différentes, peuvent être produits le long de la zone 102 de tri.
La figure 4 illustre un mode de réalisation d'une telle variante, pour lequel des régions 151, 152, 153, du premier élément 110 sont mises à des températures respectives différentes.
Dans ce mode de réalisation, le deuxième élément 120 peut être associé à un circuit de refroidissement comprenant un fluide 122, par exemple un liquide en circulation dans le deuxième élément 120, et à une deuxième température, par exemple de l'ordre de 1O0C.
Le premier élément 110 peut être quant à lui, sous forme d'une plaque 160 ou d'un conduit 160 associé à plusieurs circuits de chauffages distincts 171, 172, 173, répartis le long de la zone de tri.
Un premier circuit de chauffage 171 comportant par exemple un fluide 181 en circulation à une température donnée Tl par exemple de l'ordre de 1000C, peut être en contact avec la plaque 160 ou le conduit 160 et permet de placer une première région 151 de la plaque 160 ou du conduit 160 à une première température. La première région 151 peut être située en regard des premiers moyens de collecte 124. Dans un premier secteur de la zone 102 de tri, situé entre la première région 151 et les premiers moyens 124 de collecte, au moins un premier gradient thermique d'une première intensité peut être formé.
Un deuxième circuit de chauffage 172 comportant par exemple un fluide 182 en circulation et à une température T2, par exemple de l'ordre de 2000C, différente de Tl, peut être en contact avec la plaque 160 ou le conduit 160 et permet de placer une deuxième région 152 de la plaque 160 ou du conduit 160 à une deuxième température, différente de la première température. Cette deuxième région 152 peut être située en regard des deuxièmes moyens de collecte 126 de la zone 102 de tri. Dans un deuxième secteur de la zone 102 de tri, situé entre la deuxième région 152 et les deuxième moyens 126 de collecte, au moins un deuxième gradient thermique d'une intensité différente de celle du premier gradient peut être formé. L'intensité du deuxième gradient peut être réglée de manière à être supérieure à celle du premier gradient. Un troisième circuit de chauffage 173 comportant par exemple un fluide 183 en circulation à une température T3, par exemple de l'ordre de 3000C, différente de Tl et de T2, peut être en contact avec la plaque 160 ou le conduit 160, et permet de placer une troisième région 153 de la plaque 160 ou du conduit 160 à une troisième température, différente de la première température et de la deuxième température. Cette troisième région 153 peut être située en regard des troisièmes moyens de collecte 128. Dans un troisième secteur de la zone de tri 102, situé entre la troisième région 153 de la plaque 160 ou du conduit 160 et les troisièmes moyens 128 de collecte, au moins un troisième gradient thermique d'une troisième intensité, différente de la première intensité et de la deuxième intensité, peut être formé. Les intensités respectives du premier gradient dans le premier secteur, du deuxième gradient dans le deuxième secteur et du troisième gradient dans le troisième secteur, peuvent être prévues en fonction des tailles ou des gammes de tailles respectives que les premiers moyens de collecte, les deuxièmes moyens de collecte et les troisièmes moyens de collecte sont destinés à collecter. L'intensité du troisième gradient thermique peut être réglée de manière à être plus élevée que celle du deuxième gradient thermique, l'intensité du deuxième gradient thermique pouvant être réglée de manière à être plus élevée que celle du premier gradient thermique. Selon une variante de mise en œuvre illustrée sur la figure 3A, le premier élément 110 et le deuxième élément 120 peuvent être sous forme, respectivement, d'une première plaque 210 et d'une deuxième plaque 220, par exemple rectangulaires et de longueur L par exemple de l'ordre de 500 mm définissant la longueur de la zone de tri 102, et de largeur 1 par exemple de l'ordre de 150 mm. La première plaque 210 et la deuxième plaque 220 peuvent être parallèles entre elles, et situées à une distance e par exemple de l'ordre de 2 mm l'une de l'autre, et mises à des températures différentes l'une par rapport à l'autre. La deuxième plaque 220 peut également comporter des moyens de collecte de particules sous forme d'ouvertures 244, 246, 248 ou des lumières associées respectivement à des conduits de récupération ou à des moyens de stockages de particules (non représentés) séparés ou distincts.
Selon une autre variante de mise en œuvre illustrée sur la figure 3B, le premier élément 110 et le deuxième élément 120 peuvent être sous forme respectivement d'un premier cylindre 310 et d'un deuxième cylindre 320, situés à une distance e l'un de l'autre, le premier cylindre et le deuxième cylindre étant à des températures différentes l'un par rapport à l'autre. Le deuxième cylindre 320 peut également comporter des moyens de collecte de particules sous forme d'ouvertures 344, 346, 348 ou des lumières associées respectivement à des conduits de récupération ou à des moyens de stockages de particules (non représentés) séparés ou distincts. Le premier cylindre 310 peut être situé à l'intérieur du deuxième cylindre 320. Le premier cylindre 310 et le deuxième cylindre 320 peuvent être concentriques.
Selon une variante (non représentée) , le deuxième cylindre 320 peut être situé à l'intérieur du premier cylindre.
Un tel agencement avec des éléments 110 et 120 sous forme de cylindres 310 et 320, permet d'obtenir une stabilité améliorée du ou des gradient (s) thermique (s) . Cet agencement confère une bonne homogénéité dans la circulation du fluide porteur entre les éléments 110 et 120 et/ou des fluides en circulation dans l'élément 110 et/ou 120.
Les figures 2A, 2B, 2C, illustrent un exemple de résultat de tri de particules, mis en oeuvre à l'aide d'un procédé suivant l'invention, en particulier en trois fractions 204, 206, 208, séparées de particules triées selon un critère de taille. Une première fraction 204 comporte des particules de taille (s) appartenant à une première gamme de taille de particules (figure 2A) . Une deuxième fraction 206 comporte des particules de taille (s) appartenant à une deuxième gamme de tailles différentes de celles de la première gamme (figure 2B) . Une troisième fraction 208 comporte des particules de taille (s) appartenant à une troisième gamme de tailles de particules différentes des tailles de la première et de la deuxième gamme (figure 2C) .
Le tableau suivant résume des données statistiques relatives aux tailles des particules dans la première fraction 204, dans la deuxième fraction 206, et dans la troisième fraction 208.
L'invention n'est pas limitée à un tri de particules de compositions identiques. Des particules de compositions différentes ayant des tailles et/ou des masses différentes pourront être triées, en injectant un fluide comportant les particules de compositions différentes dans une zone dite « zone de tri » entre au moins le premier élément 110 et le deuxième élément 120 appartenant au dispositif de tri tel que décrit plus haut .
L' invention trouve des applications dans le domaine de la purification ou du filtrage de particules submicroniques ou nanométriques, par exemple pour le traitement de l'air. Un système de traitement de l'air doté d'un dispositif de tri de particules suivant l'invention, pour piéger des nano-poudres et éviter une par exemple une contamination, peut être mis en œuvre.
L'invention trouve également des applications dans des procédés de production de nano-particules ou de poudres, dans lesquels on a à effectuer un tri sélectif de particules suivant un critère de taille.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de tri de particules, comprenant: l'injection d'un fluide comportant des particules (100), dans une zone dite « zone de tri » entre au moins un premier élément (110) et au moins deuxième élément (120) en regard l'un de l'autre et produisant au moins un gradient de température dans la zone de tri, permettant le déplacement des particules vers le deuxième élément et la séparation des particules .
2. Procédé selon la revendication 1, les particules triées étant de tailles différentes et/ou de masses différentes.
3. Procédé de tri de particules selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les particules sont injectées en entrée de la zone de tri, la séparation des particules comprenant : la collecte, par des premiers moyens de collecte et par des deuxièmes moyens de collecte respectivement, d'au moins un premier ensemble de particules de taille (s) appartenant à une première gamme de taille (s) de particules, et d'au moins un deuxième ensemble de particules de taille (s) appartenant à une deuxième gamme de taille (s) différentes des tailles de la première gamme, les premiers moyens de collecte et les deuxième moyens de collecte étant disposés au niveau du deuxième élément à des distances respectives différentes de l'entrée de la zone de tri.
4. Procédé de tri de particules selon la revendication 3, dans lequel les tailles de la première gamme sont plus faibles que les tailles de la deuxième gamme, les premiers moyens de collecte et les deuxièmes moyens de collecte étant disposés le long du deuxième élément, respectivement à une première distance de l'entrée de la zone de tri et à une deuxième distance de l'entrée de la zone de tri, la deuxième distance étant plus grande que la première distance.
5. Procédé de tri de particules selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les premiers moyens de collecte comportent une ou plusieurs premières ouvertures et au moins un premier conduit dans le prolongement des premières ouvertures, les deuxièmes moyens de collecte comportant une ou plusieurs deuxièmes ouvertures et au moins un deuxième conduit dans le prolongement des deuxième ouvertures, le deuxième conduit étant disjoint ou distinct du premier conduit.
6. Procédé de tri selon l'une des revendications 1 à 5, les particules ayant une taille inférieure à 500 nanomètres.
7. Procédé de tri selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre, préalablement à l'étape d'injection des particules
(100) dans la zone (102) de tri : une étape de désagrégation d'amas de particules (100).
8. Procédé de tri selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le premier élément (110) et le deuxième élément (120) sont aptes à produire plusieurs gradients de températures d'intensités respectives différentes le long de la zone de tri.
9. Dispositif de tri de particules, comprenant : - des moyens pour injecter un fluide comportant des particules (100) à trier dans une zone (102) du dispositif, dite « zone de tri »,
- au moins un premier élément (110) et au moins deuxième élément (120), situés en regard l'un de l'autre, et aptes à produire au moins un gradient de température dans la zone (102) de tri,
- des moyens de collecte de particules répartis dans la zone de tri au niveau du deuxième élément, associés au deuxième élément (120), et à des moyens de stockage et/ou de récupération de particules respectifs distincts.
10. Dispositif de tri de particules selon la revendication 9, dans lequel la zone de tri comporte une entrée par laquelle le fluide est apte à être injecté, les moyens de collecte disposés au niveau du deuxième élément, comprenant : au moins des premiers moyens de collecte et au moins des deuxièmes moyens de collecte aptes à collecter respectivement, au moins un premier ensemble de particules de taille (s) appartenant à une première gamme de taille (s), et au moins un deuxième ensemble de particules de taille (s) appartenant à une deuxième gamme de taille (s) différentes des tailles de la première gamme, les premiers moyens de collecte et les deuxième moyens de collecte étant disposés au niveau du deuxième élément à des distances respectives différentes de l'entrée de la zone de tri.
11. Dispositif de tri de particules selon la revendication 10, dans lequel les tailles de la première gamme sont plus faibles que les tailles de la deuxième gamme, les premiers moyens de collecte et les deuxièmes moyens de collecte étant disposés le long du deuxième élément, respectivement à une première distance de l'entrée de la zone de tri et à une deuxième distance de l'entrée de la zone de tri, la deuxième distance étant plus élevée que la première distance .
12. Dispositif de tri de particules selon la revendication 10 ou 11, dans lequel les premiers moyens de collecte comportent une ou plusieurs premières ouvertures et au moins un premier conduit dans le prolongement des premières ouvertures, les deuxièmes moyens de collecte comportant une ou plusieurs deuxièmes ouvertures et au moins un deuxième conduit dans le prolongement des deuxième ouvertures, disjoint ou distinct du premier conduit.
13. Dispositif de tri de particules, selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel le premier élément et le deuxième sont à une distance e l'un de l'autre, comprenant en outre : des moyens pour moduler la distance e entre le premier élément et le deuxième élément .
14. Dispositif de tri de particules, selon la revendication 9 à 13, dans lequel le premier élément et le deuxième élément sont respectivement à au moins une première température et au moins une deuxième température, la première température et la deuxième température étant différentes, comprenant en outre : des moyens pour moduler la température du premier élément et/ou pour moduler la température du deuxième élément .
15. Dispositif de tri de particules selon l'une des revendications 9 à 14, le premier élément et le deuxième élément comportant respectivement au moins une première plaque et au moins une deuxième plaque ajourée, la première plaque et la deuxième plaque étant parallèles et à des températures différentes.
16. Dispositif de tri de particules selon l'une des revendications 9 à 15, le premier élément et le deuxième élément étant sous forme respectivement d' au moins une premier cylindre et d' au moins une deuxième cylindre ajouré, le premier cylindre et le deuxième cylindre étant circonscrits et à des températures différentes.
17. Dispositif de tri de particules selon l'une des revendications 9 à 16, comprenant en outre : des moyens pour désagréger des amas de particules
(100), préalablement à leur injection dans la zone (102) de tri.
18. Dispositif de tri de particules selon l'une des revendications 9 à 17, dans lequel les moyens de collecte comportent une pluralité d' ouvertures (134, 136, 138), comprenant en outre : des moyens de décolmatage des ouvertures.
19. Dispositif de tri de particules selon l'une des revendications 9 à 18, le premier élément et le deuxième élément étant aptes à produire plusieurs gradients de températures d'intensités différentes le long de la zone (102) de tri.
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