FR2520632A1 - Procede de filtration et microfiltration tangentielle sur surface filtrante de revolution et filtre pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Procede de filtration et microfiltration tangentielle sur surface filtrante de revolution et filtre pour sa mise en oeuvre Download PDF

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Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FILTRATION ET DE MICROFILTRATION TANGENTIELLE SUR UNE SURFACE FILTRANTE DE REVOLUTION ET UN FILTRE POUR SA MISE EN OEUVRE. LE PROCEDE CONSISTE A CENTRIFUGER LA VEINE FLUIDE A FILTRER CONTRE LA PAROI FILTRANTE. CE PROCEDE EST MIS EN OEUVRE AVEC UN FILTRE CONSTITUE PAR UN CYCLONE DONT LA PAROI PERIPHERIQUE 1 EST CONSTITUEE PAR UNE PAROI FILTRANTE AVEC UNE ENCEINTE PERIPHERIQUE 17 POUR RECUEILLIR LE FILTRAT QUI A TRAVERSE LA PAROI POREUSE. LA PRESENTE INVENTION S'APPLIQUE A LA FILTRATION, LA MICROFILTRATION, L'ULTRAFILTRATION ET LES AUTRES PROCEDES DE SEPARATION ANALOGUES SELON LE PRINCIPE DE LA FILTRATION TANGENTIELLE SUR UN MEDIA FILTRANT.

Description

Procédé de filtration et microfiltration tangentielle sur surface filtrante de révolution et filtre*Egur sa mise en oeuvre.
La présente invention concerne la filtration, la microfiltra tion, l'ultrafiltration et les autres procédés de séparation analogues selon le principe de la filtration tangentielle sur un média filtrant. Cette technique de filtration dite tangentielle a pour but d'éviter ou de retarder la formation sur la surface du média filtrant d'un gateau des substances séparées par ledit média, gâteau qui freine le passage du filtrat et aboutit au colmatage du filtre. Elle consiste à faire circuler à grande vitesse le fluide à filtrer parallélement à la surface du média filtrant qui peut etre d'une nature quelconque.Du fait du passage à travers le média d'une partie du filtrat, il apparat dans la veine liquide une composante de vitesse d'écoulement dirigée vers la surface du média filtrant et les particules à séparer se trouvent donc, comme dans la filtration classique, entrainées vers la surface du média mais, du fait de la composante de vitesse élevée parallèlement à la surface du média, les particules en suspension viennent contacter ladite surface avec un angle d'incidence très faible et elles "ricochent" sur la surface du média filtrant pour être réintroduites dans la veine fluide.
Il existe toutefois au contact de ladite surface une couche limite de vitesse nulle et en fait, comme cela est bien connu en hydrodynamique, il s'établit un gradient de vitesses perpen diculairement à la surface du média filtrant, gradient de vitesses qui est une fonction de la viscosité du milieu et plus généralement de la teneur en particules de la veine de fluide soumise à la filtration. Les particules sont donc freinées dans la couche limite et, du fait des conditions de leur impact. sur la surface filtrante, certaines d'entre elles ne s'échappent pas de cette couche limite et sont blo-quées en surface du média où elles forment une couche dite de polarisation qui crée une perte de charge supplémentaire.
En général la filtration tangentielle est conduite avec recyclage du refus selon le système dit "en boucle" ou sur des filtres en cascade. Dans l'un et l'autre cas, la concentration en particules retenues croit progressivement, l'importance de la couche de polarisation croît également et, comme dans le cas de la formation d'un gâteau de filtration dans la filtration directe, le débit décroît progressivement.
Il est alors nécessaire d'effectuer, lorsque celà est pos sillet un nettoyage par circulation d'un fluide à contrecourant à travers la paroi du filtre. Ceci entraîne une baisse de rendement du filtre du fait de la durée d'arrêt du filtre et d'une consommation en fluide utilisé pour le nettoyage par circulation à contre-courant, fluide qui doit avoir une pureté aussi élevée que celle du filtrat. Le filtre doit en outre être rincé avec une certaine quantité de filtrat, si le fluide de nettoyage n'est pas du filtrat, et alors cette quantité de filtrat utilisée pour le rinçage est rejetée.
On a cherché à remédier à cet inconvénient et à retarder la formation de la couche de polarisation, notamment dans les appareils de micro-filtration, d'ultra-filtration et d'osmose inverse, en accroissant encore plus la vitesse de circulation du fluide au contact du média filtrant et en brassant énergiquement la masse du fluide à filtrer à l'aide d'une hélice à pales ou d'un agitateur dont le plan d'action est parallèle à et très voisin de la surface du média filtrant.
Ces dispositifs à agitateur connus assurent une vitesse de circulation plus élevée de l'ordre de 20 m/sec, le débit du micro-filtrat est beaucoup plus élevé que dans les filtres à simple écoulement du fluide parallèlement au média filtrant et la formation de la couche de polarisation est ralentie, ce qui permet d'espacer les opérations de nettoyage à contrecourant. Ces filtres à agitateurs posent toutefois des problémes techniques et économiques car ils nécessitent un agitateur dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre de la surface filtrante utile, agitateur qui doit être entraîné à très grande vitesse et dont l'axe doit traverser la paroi de la cellule de façon étanche.
D'autre part il est connu que la vitesse de filtration, c'està-dire le débit du filtrat ou du micro-filtrat à travers un média, est fonction de la pression sous laquelle le fluide à filtrer est appliqué contre le média. De plus, dans le cas de la circulation d'une veine fluide dans une conduite de section quelconque, la vitesse est fonction de la perte de charge entre l'entrée et la sortie. Dans le cas de la filtration tangentielle d'un fluide non compressible, le volume de la veine décroît progressivement du fait de l'extraction du filtrat et donc, si le passage est de section constante, la vitesse décroît en fonction de la diminution du débit et la pression décroît également rapidement en même temps que la couche de polarisation croît, tous facteurs qui concourrent à réduire le débit du filtrat.
La présente invention a pour but de dissocier la perte de charge assurant la circulation de la veine fluide de la pression exercée par ladite veine fluide contre le média filtrant.
Le but est atteint, conformément à l'invention, par un procédé de filtration tangentielle caractérisé en ce que l'on centrifuge la veine fluide à filtrer contre la paroi filtrante.
Il est connu de procéder à la séparation des deux phases de densités différentes par centrifugation de la veine fluide dans une enceinte cylindrique, tronconique ou cylindro-tronconique dans laquelle le mélange est introduit tangentiellement vers la partie haute de l'enceinte, la phase lourde étant centrifugée contre ia paroi périphérique et s'accumulant dans la partie basse de l'enceinte. Dans ce procédé de séparation par centrifugation, on utilise le gradient de pression qui décroît de la surface périphérique vers l'axe du cyclone pour classer selon leur densité les constituants du mélange.
Il s'agit en fait d'un mode d'accélération du processus de décantation naturel sous l'effet de la gravité. Dans le processus de filtration, la différence des densités n'intervient pas mais seulement la dimension particulaire, moléculaire, voire ionique, des particules que le média filtrant est susceptible de retenir et ces particules qui sont en suspension stable peuvent avoir une densité très voisine ou même inférieure à celle du fluide porteur. Le gradient de pression apparaissant dans la centrifugation ne joue donc pas un rôle essentiel dans le procédé de la présente invention et seule la pression dans la couche au contact de la paroi constituée par le média filtrant intervient pour accroître le débit du filtrat. En outre la vitesse de la veine au contact de la paroi périphérique est plus élevée que la vitesse moyenne de la veine fluide, ce qui, comme exposé ci-dessus, réduit la vitesse de formation de la couche de polarisation et accroît et régularise le débit du filtrat.
Le procédé de filtration tangentielle par centrifugation de la veine fluide à filtrer contre une paroi filtrante de révolution présente de nombreux autres avantages qui apparaîtront au cours de la description détaillée de l'invention faite ci-après.
On peut, conformément au procédé, réduire progressivement de l'amont vers l'aval l'épaisseur radiale de la veine centrifugée pour conserver la vitesse nonobstant la réduction du débit résultant du passage du filtrat. On peut régler la vitesse de circulation de la veine liquide en réglant la différence entre la pression à l'entrée et la pression à la sortie du filtre à centrifugation. On peut, en réglant la pression à la sortie, ajouter une pression de base à la pression résultant de-la force centrifuge et récupérer l'énergie à l'échappement pour la mise en pression de la veine fluide à l'entrée.
Avec une forme concave de la surface filtrante, l'effet de "ricochet" des particules qui ne traversent pas le média filtrant tend à les maintenir, plus que dans le cas d'une surface plane, dans la couche limite ou dans les couches voisines de cette couche limite qui sont entraînées par frottement selon un mouvement en hélice. Il existe donc une tendance à la formation d'une couche périphérique plus ou moins importante enrichie en particules non filtrables, même si la densité de ces particules est sensiblement égale ou inférieure à la densité du filtrat, et il est possible, du fait de la circulation de cette couche dans le même sens que la veine fluide à filtrer, de séparer une phase périphérique très enrichie en particules d'une phase centrale plus pauvre en particules et plus riche en filtrat.
La vitesse de circulation de la veine fluide à filtrer au contact de la paroi peut être établie et entretenue par une roue à aubes d'axe confondu avec l'axe de la paroi filtrante de révolution. Cette forme de réalisation présente l'avantage, par rapport aux filtres à hélice connus, que la vitesse du bord de la palette voisin du média filtrant est constante sur toute la surface du média filtrant, ladite surface étant supérieure, pour un même rayon de l'organe agitateur, à celle 4h balayée par l'hélice dans le rapport d , h étant la longueur de la génératrice de la surface filtrante de révolution et d le diamètre de l'hélice ou de l'agitateur. Ce mode de réalisation peut permettre de fonctionner sans perte de charge entre l'entrée et la sortie et donc d'avoir une boucle sous pression.
Du fait de la centrifugation, il est possible de déposer et maintenir sur la paroi périphérique poreuse un lit d'agents de filtration spéciaux, même si la densité de ces agents est très peu supérieure à celle du milieu filtré, et d'évacuer périodiquement lesdits agents par la sousverse pour leur épuration simplement en arrêtant la centrifugation du fluide soumis à la filtration. Ceci est notamment applicable à la filtration sur résines échangeuses d'ions mais peut s'appliquer à tous les lits filtrants. Le réglage de l'épaisseur du lit filtrant et son immobilisation pendant la centrifugation peuvent être assurés en munissant la paroi poreuse sur laquelle est formé le lit, de nervures ou d'arêtes sensiblement perpendiculaires à la direction d'écoulement de la veine fluide pour créer en aval de celles-ci une zone calme où s'accumule l'agent filtrant.Ladite couche est recréée après chaque évacuation pour épuration en centrifugeant, jusqu'à rétablissement de la couche, une suspension de l'agent filtrant dans une certaine quantité du filtrat, cette quantité de filtrat n'étant pas rejetée mais retraversant la paroi poreuse sur laquelle est formé le lit filtrant.
On peut également faire circuler en continu le lit filtrant ou au moins la couche superficielle du lit filtrant en équicourant ou à contre-courant de la veine du fluide à filtrer.
Ceci est possible soit en prévoyant sur la paroi poreuse contre laquelle sont centrifugés l'agent filtrant et le fluide à filtrer, une nervure hélicoldale à pas faible en saillie de l'épaisseur de la couche, soit en montant une hélice cylindrique tangentant ladite paroi poreuse et animée d'un mouvement de rotation lent pour déplacer le lit filtrant entre une chambre d'alimentation et une chambre d'évacuation pour le rinçage.
D'autres caractéristiques de la présente invention apparaî- tront à la lecture de la description d'un certain nombre de modes de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe schématique
d'une installation de filtration conforme à
l'invention; la figure 2 est une vue correspondant
à la figure 1 pour un deuxième mode de réalisation
avec entraînement mécanique en rotation de la
veine de fluide à filtrer; la figure 3 est une
vue en coupe schématique d'un appareil de filtra
tion comportant une pluralité de filtres montés
en grappe et ta figure 4 est une vue en coupe
axiale partielle d'un filtre avec lit filtrant
conforme à l'invention, le lit filtrant étant
renouvelé en continu.
Dans la figure 1, la référence 1 désigne la surface du média filtrant qui est tronconique mais qui pourrait également être cylindrique ou avoir une conicité inverse. La nature du média filtrant est fonction de la finesse de la filtration, de la microfiltration ou de l'ultrafiltration et ce peut être toute paroi poreuse ou microporeuse ayant une consistance mécanique suffisante, la paroi pouvant même être complexe dans le cas d'une résistance mécanique insuffisante de la couche filtrante et comporter par exemple un support périphérique ou une armature en tôle perforée, toile métallique, support plastique, etc.Le média filtrant lui-même peut être, sans que cette liste soit limitative, des tissus poreux tissés, non tissés ou autres en fibres métalliques telles qu'acier, acier inoxydable, nickel, etc. en fibres textiles synthétiques ou naturelles telles que polypropylène, superpolyamides, polytétrafluoréthylène, acétate, coton, cellulose, des papiers imprégnés ou non, des membranes cellulosiques minces en acétate ou nitrate de cellulose, des membranes en polyester ou polycarbonate à pores cylindriques calibrés, des métaux ou des verres frittés ou des céramiques poreux ou microporeux.
Du fait de la force centrifuge qui s'exerce dans la masse liquide, on peut même avoir un lit filtrant d'une substance granulaire ou microgranulaire ayant une densité plus élevée et même seulement légèrement plus élevée que le filtrat.
Dans un tel cas et pour obtenir un lit fixe et stable pendant toute l'opération de filtration, il est préférable de munir la surface poreuse formant le support mécanique du lit d'un réseau de nervures dont l'épaisseur est égale à l'épaisseur du lit à obtenir et dont au moins certaines sont disposées sensiblement perpendiculairement au flux d'écoulement des veines périphériques de la masse liquide centrifugée à filtrer.
Le lit est formé au début d'un cycle de filtration (période entre deux épurations du filtre) en faisant circuler dans l'appareil la matière constituant le lit filtrant en suspension dans du filtrat qui traverse la paroi poreuse et peut être recyclé. La substance constituant le lit filtrant peut être toute substance granulaire quelle que soit sa granulométrie et par exemple du sable, de la silice, une argile colloidale, des poudres diverses ou même des résines échangeuses d'ions et autres matériaux avec lesquels il est difficile de réaliser un lit filtrant stable et impossible de réaliser un lit filtrant pour filtration tangentielle.
L'appareil de filtration constitue un cyclone d'un type quelconque connu dont la paroi périphérique est constituée par une paroi filtrante avec une enceinte périphérique ouverte ou fermée pour recueillir le filtrat qui a traversé la paroi poreuse. L'enceinte périphérique de collecte du filtrat peut, dans le cas d'un fluide liquide, être une simple cuve mais il est également possible, sans que cela soit décrit plus en détail ci-après, d'y faire régner un vide plus ou moins poussé. Avec un filtrat vaporisable sous faible pression ou avec un filtrat gazeux, l'enceinte périphérique est ou peut être étanche et le filtrat liquide peut être encore purifié en l'extrayant de l'enceinte périphérique par vaporisation et recondensation.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, la paroi filtrante 1 est soutenue à sa périphérie inférieure par une saillie annulaire 2 et à sa périphérie supérieure par le bord inférieur d'une chemise 3. Cette chemise 3 forme la chambre supérieure de l'hydrocyclone fermée par un couvercle 4 et subdivisée en deux chambres par une paroi séparatrice 5.
La chambre supérieure 6 est la chambre de collecte de la surverse constituée de manière connue par un manchon cylindrique axial 7, cette chambre étant reliée par une canalisation 8, munie év#entuellement d'une vanne d'arrêt et d'une soupape d'étranglement tarée, au réservoir 9 de stockage du# fluide à filtrer supposé ici être un liquide. Dans la chemise inférieure débouche tangentiellement en 10, la canalisation d'alimentation 11 en fluide à filtrer qui est propulsé et éventuellement mis sous pression par une pompe 12. La sousverse est constituée par une chambre inférieure 13 d'ou les matières déposées peuvent être évacuées par une canalisation de sortie 14 contrôlée par un robinet 15.Une paroi tronconique 16 est prévue entre la chambre de centrifugation et la chambre de collecte de la sousverse pour éviter la propagation du tourbillon à cette chambre de collecte et la remise en suspension des produits déposés. La sousverse peut également être utilisée comme sortie du refus de filtration à la place de la surverse 6-8 en fermant la canalisation 8. Il est bien évident que le cyclone peut également ne pas comporter de surverse. La chambre de collecte du filtrat est réalisée par une paroi périphérique 17 avec une sortie 18 pour le filtrat ou le microfiltrat. 19 désigne une canalisation d'amenée dans le réservoir 9 de la suspension liquide à filtrer.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, la paroi filtrante 1 a une conicité inverse de celle de la figure 1 et la circulation de la suspension fluide à filtrer se fait du bas vers le haut, ledit fluide étant amené par une canalisation lla en étant propulsé par une pompe 12a tangentiellement au fond 20 de la chambre de filtration. A la périphérie du fond 20 est réalisée une rigole 21 avec une sortie 22 pour recueillir les impuretés lourdes qui ont été centrifugées contre la paroi filtrante. Dans la chambre de révolution délimitée par la paroi filtrante 1 et le fond 20 est monté un rotor à palettes constitué par un noyau cylindrique 23 et des pales radiales 24 dont le bord libre passe à très faible distance de la paroi filtrante 1. Ce rotor est monté à rotation au centre du fond 20 par un palier étanche 25 et entraîné par un arbre 26.A son sommet il porte un manchon évasé 27 qui subdivise en deux couches le flux du refus de filtration qui sort à la partie supérieure de la chambre de filtration. La chambre de filtration est fermée à sa partie supérieure par un couvercle 28 traversé par l'arbre 26, ce couvercle comportant une paroi séparatrice 29 qui s'adapte de façon étanche autour de la partie supérieure du manchon 27. Deux canalisations de sortie 30-30a assurent la sortie du fluide qui a pénétré dans les deux chambres. Du fait de la filtration tangentielle avec centrifugation, la couche périphérique est, comme exposé ci-dessus, plus riche en impuretés ou particules non filtrables constituant la couche de polarisation. Le fluide recueilli par la sortie 30 sera donc plus chargé en impuretés que celui recueilli à la sortie 30a.On peut donc ainsi fractionner le refus pour faciliter la filtration ultérieure du solvant qu'il contient. La chambre inférieure du couvercle est fermée par la partie supérieure de la paroi 17a qui délimite la chambre de récupération du filtrat lequel est évacué par la sortie 18a.
L'appareil de la figure 3 comporte une pluralité ou grappe de cyclones filtrants d'un type analogue à celui de la figure 1. Dans cette figure les éléments correspondants à ceux de la figure 1 sont désignés par la même référence affectée de l'indice prime. Les parois filtrantes 1' sont disposées en deux couches superposées et dans leurs couvercles 5' débouche tangentiellement la canalisation d'amenée ll'. L'ensemble de ces canalisations 11' est connecté à une canalisation d'amenée centrale 31 alimentée en suspension fluide à filtrer par une pompe non représentée. Toutes les surverses 7' sont connectées à une chambre supérieure commune 6' avec une sortie 8' et les sousverses sont reliées par des tubes 32 à une chambre inférieure 13' avec une sortie 14'.
L'appareil des figures 4 et 5 est conçu pour fonctionner avec un média filtrant constitué par un lit d'éléments granulaires ou particulaires ayant une densité au moins légèrement supérieure à celle du fluide à filtrer, par exemple un lit de résines échangeuses d'ions, le lit filtrant étant renouvelé en continu et circulant à contre-courant du fluide à filtrer.
Le principe de l'appareil est basé sur la constatation que dans un cyclone, les particules centrifugées sont entraînées en rotation par les forces de frottement et que si elles ont une densité voisine de celle du milieu fluide centrifugé, elles stagnent à un niveau moyen où la poussée d'Archimède égale la force d'entraînement par la composante axiale du flux. Pour y remédier on peut munir la paroi du cyclone d'une arête en hélice orientée pour dévier les particules centrifugées dans la direction axiale de transport voulue. Dans l'appareil de filtration de la figure 4, la paroi poreuse cyclindrique 33 destinée à constituer le support du lit filtrant présente sur sa surface intérieure une nervure 34 enroulée en hélice.A l'intérieur de la chambre est monté un rotor à palettes comportant un noyau central tronconique 35 et des pales radiales 36, ce rotor étant entrâîné par un arbre 37 traversant de façon étanche par un palier 38 le couvercle 39 qui s'appuie de façon étanche sur le moyeu 40 du rotor et délimite la chambre de sortie 41 du refus de filtration. La suspension fluide à filtrer est amenée à la base de l'appareil par une canalisation 42 débouchant au centre d'un plateau 43 qui s'adapte à l'intérieur du filet de la nervure 34. En dessous de ce plateau est formée une chambre 44 dans laquelle s'accumule la substance granulaire ou particulaire du lit filtrant à régénérer, chambre dont elle est extraite par un moyen non représenté. À sa partie supérieure la paroi 33 est évasée en entonnoir en 45 pour recevoir la substance granulaire ou particulaire destinée à former le lit filtrant. La paroi poreuse 33 portant le lit filtrant peut être fixe ou entraînée en rotation dans son ensemble ou seulement pour sa partie formant filet 34 qui en est alors séparée, ce qui peut s'avérer nécessaire pour certaines substances constitutives du lit filtrant.
La nervure formant filet peut alors être solidaire de la périphérie des pales. Une paroi périphérique 46 délimite la chambre de collecte du filtrat qui est munie d'une sortie 17.

Claims (11)

Revendications
1. Un procédé de filtration et microfiltration tangentielle sur surface filtrante de révolution, caractérisé en ce que l'on centrifuge la veine fluide à filtrer contre la paroi filtrante.
2. Un procédé de filtration et microfiltration tangentielle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réduit progressivement de l'amont vers l'aval l'épaisseur de la veine centrifugée.
3. Un procédé de filtration et microfiltration tangentielle selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on règle la vitesse de circulation de la veine liquide en réglant la différence entre la pression à l'entrée et la pression à la sortie du filtre à centrifugation.
4. Un procédé de filtration et microfiltration tangentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on sépare, à la sortie du filtre, la phase périphérique voisine de la paroi filtrante de la phase centrale.
5. Un procédé de filtration et microfiltration tangentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on crée et/ou entretient la vitesse de circulation de la veine fluide à filtrer au moyen d'une roue à aubes d'axe confondu avec l'axe de la paroi filtrante de révolution.
6. Un procédé de filtration et microfiltration tangentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 5? caractérisé en ce que l'on dépose et maintient sur la paroi périphérique poreuse un lit d'agents de filtration.
7. Un procédé de filtration et microfiltration tangentielle selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on évacue périodiquement les agents de filtration par la sousverse en arrêtant la centrifugation du fluide soumis à la filtration.
8. Un procédé de filtration et microfiltration tangentielle selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on fait circuler en continu au moins la couche superficielle du lit filtrant.
9. Un filtre pour la filtration ou microfiltration tangentielle selon le procédé des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est constitué par un cyclone dont la paroi périphérique 1 est constituée par une paroi filtrante avec une enceinte périphérique 17 pour recueillir le filtrat qui a traversé la paroi poreuse.
10. Un filtre selon la revendication 9 pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans la chambre délimitée par la paroi filtrante 1. est monté un rotor constitué par un noyau central 23 et des pales radiales 24 dont le bord libre passe à très faible distance de la paroi filtrante 1.
11. Un filtre selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que la paroi filtrante est constituée par une paroi poreuse 33 susceptible de supporter et retenir une couche d'agents de filtration particulaires, cette paroi étant munie en surfaces de nervures 34 pour immobiliser et/ou faire circuler la couche d'agents de filtration.
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