Brevet FR2248867A1 — publié le 19750523

L'eau quton emploie industriellement comme agent de refroidissement dans des opérations d'échange de chaleur contient habituellement des solides qui encrassent plus ou moins vite l'équipement d'échange de chaleur. Particulièrement dans les cas où les faisceaux de tubes ou serpentins de l'appareil de transfert de chaleur sont formés de polymère organique, comme décrit par exemple dans le brevet des #t;ats-U#iis d'Amérique n0 3 228 456, les agents d'encrassement sont des fibres et des particules de grosseur supérieure à 0,38 mm.Généralement, les particules plus grosses que 0,38 mm représentent moins de 1 ffi des solides présents dans les eaux de refroidissement industriel et on peut les éliminer au moyen de tamis commerciaux. toute fois, les fibres présentes encrassent les tamis et ne peuvent pas entre complètement éliminées de ceux-ci par lavage parce qu'elles s'accrochent aux trous. Donc, afin d'utiliser des tamis classiques pour séparer les particules de l'agent de refroidissement, il faut éliminer d'abord les fibres. On peut effectuer l'élimination des fibres au moyen de tamis fins, de toiles filtrantes, de membranes poreuses et d'autres barrières dont les ouvertures sont inférieures à 25 microns environ. Des ouvertures plus grandes ntarretent pas toutes les fibres et une partie de celles qui sont arrêtées ne sont pas éliminées par lavage. Par contre, des barrières dont les ouvertures sont de l'ordre de 25 microns arrêtent la plupart des solides contenus dans les eaux naturelles. Toutefois, l'utilisation de ces barrières imposerait un très grand travail de filtration. L'élimination de fibres et particules plus grosses que 0,38 mm est un très petit travail en comparaiscl de l'élimination de toutes les matières plus grosses que 25 microns. truand on fait fonctionner de la façon normale(41 à 164 1/mn/m2) des filtres à couche profonde, ils éliminent très efficacement les particules jusqu'à une grosseur microscopique de sorte qu'en fait, on peut clarifier l'eau jusqu'à ce qu'elle soit potable. Les modes de filtration mis en jeu dans ce type normal de fonctionnement comprennent un dépit des particules fines sur la surface supérieure des agents de filtration (quel que soit le sens d'écoulement du liquide) et une attraction moléculaire de particules vers toute la surface de l'agent de filtration. Â mesure que le filtre s'encrasse, la capacité que possède l'agent de retenir les solides diminue jusqu'à devenir presque nulle. D'autre part, à mesure que le débit augmente, les impuretés ne se déposent plus sur les agents et n'y adhèrent plus.En fait, si l'on augmente le débit dans une couche encrassée, la matière déposée et la matière collée sont entrat- nées hors de la couche ( à nouveau, quel que soit le sens d'écoulement). La capacité que possèdent les filtres à couche profonde de jouer le role décrit plus haut diminue à mesure que le débit augmente jusqu'à ce que, à environ 1025 l/mn/m, il se produise très peu de dépôt ou d'adhérence. Pour résoudre le problème qui consiste à filtrer et/ou à tamiser sélectivement les fibres et particules de grosseur supérieure à environ 0,23 mm qui sont contenues dans des liquides, on fait passer le liquide à travers une couche filtrante horizontale de grande surface spécifique, formée d'un seul agent, à des débits anormalement élevés d'environ 2050 à 8200 l/mn/xa2 de surface du filtre, le régime hydraulique du filtre étant représenté par la formule H/L = 3,4 (1-# ) V1,715 (#/e)0,285 D-1,285 dans laquelle H est la perte de pression par unité de longueur de la couche filtrante, L la longueur de la couche dans la direction d'écoulement, Cla fraction de vides, V la vitesse du liquide dans le récipient vide, mées en unités américaines, à savoir : la fuite de pression H en psi ( 1 psi = 0,0703 kg/cm2), la longueur L et le diamètre de particule 0 en pieds (1 pied = 30,480 cm) la vitesse V en pieds par seconde (1 pied = 30,480 cm) et la masse volumique e en pounds par pied cube ( 1 pound par pied cube = 0,016 g/ cm3), la viscosité est exprimée en centipoises. De préférence, le débit est de 2050 i 8200 1/mn/m2 de surface de l'agent de filtration, la longueur de la couche dans la direction d'écoulement est d'au moins 0,3 m et varie de préférence de 0,3 à 0,6 m, comme on le désire, la fraction de vides est de 0,32 à 0,42, la vitesse du liquide dans le récipient vide est de 0,06 à 0,3 m/s, la viscosité du liquide est de 0,2 à 20 cPo (ou de 0,00195 à 0,225 g/cm/sec), sa masse volumique de 0,64 à 2,08g/ cm3 et le diamètre effectif des particules de 0,61 à 38 mmO opérant avec ces paramètres, on peut filtrer sélectivement des liquides de refroidissement industriels, des acides ou tout autre liquide contenant des fibres et des particules plus grosses que 0,23 mm, pour éliminer les fibres d'encrassement et grosses particules sans éliminer les solides en plus petites particules, non encrassants et inoffensifs.Généralement, les filtres selon l'invention comprennent un récipient présentant au moins une entrée par laquelle on fait arriver le liquide à une couche filtrante formée d'un seul agent, supportée par une base d'écoulement horizontale. La base d'écoulementest située au sommet ou au-dessus du sommet de l'ouverture d'une sortie. Âutrementddit, la sortie est située auTwr~ou auwdessous de la surface supérieure de la base dtécoulement. Les filtres de l'invention peuvent comporter plus d'une sortie et on peut les nettoyer facilement et efficacement par lavage à contrecourant. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment 1 'invention peut etre réalisée, les particularites qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. - la figure 1 est une coupe d'un filtre dont la base d'écoulement est formée d'un tamis plat; - la figure 2 est une coupe d'un filtre muni d'une base d'écoulement cylindrique horizontale; - la figure 3 est une coupe d'un filtre contenant un distributeur d'écoulement et plusieurs bases d'écoulement cylindriques horizontales reliées à un collecteur; - la figure 4 est une coupe d'un filtre muni d'un distributeur d'écoulement au-dessus et au-dessous de la couche, munie d'une base d'écoulement en tamis plat; - la figure 5 est une coupe d'un distributeur d'écoulement. Compte tenu des connaissances de la technique anté rieure concernant le fonctionnement de filtres à couche profonde comme ceux qui sont décrits plus haut, il est #urprenant de découvrir qu'il est possible d'éliminer des fibres sans éliminations superflues de fines particules, en utilisant un filtre à couche profonde à des débits anormalement élevés, Les débits élevés (20po à 8150 1/mm/m2) empêchent la séparation normale des solides dans le filtre à couche profonde et empêchent donc de retenir les particules de diamètre inférieur à 0,23 mmO Les fibres sont retenues à cause des longs parcours d'écoulement tortueux à travers la couche et non au moyen de petites ouvertures. Ainsi, cette idée ne comporte ni le dép8t de particules fines ni l'attraction moléculaire de particules vers la surface de l'agent de filtration, qui caractérisent la filtrer tion en couche profonde. Au lieu de cela, lorsqu'on porte le débit entre 2050 et 8200 l/mn/m2, c'est un troisième mode de filtration qui domine. Il s'agit d'un mode de tamisage dans lequel les solides ne peuvent pas se loger dans la couche ni avoir, dans leur parcours à travers la couche, une probabilité de près de 100% autre retenue dans les crevasses des agents. Ainsi, les fibres aussi bien que les particules relativement grosses sont retenues, tandis que les petites particules traversent. Cela entrain une particularité supplémentaire, à savoir que la nécessité d'un tamis d'aval est supprimée, grâce au fait que les filtres selon l'invention éliminent les particules supérieures à 0,23 mm. On peut seulement utiliser . l'écoulement descendant pour cette filtration, car les chutes de pression dépassent la flottabilité de la couche pendant la filtration et un écoulement ascendant aurait pour effet de fluidiser l'agent. Etant donné que la matière retenue par les filtres selon-l'invention ne peut pas etre poussée à travers l'agent de filtration, un lavage à contre-courant, de bas en haut, nettoie efficacement la couche. La couche est facilement débarrassée des fibres pendant le lavage à contre-courant parce qu'elle se fluidifie, ce qui supprime son intégrité structurale, donc son aptitude à retenir les fibres. D'autre part, aussi, pendant le lavage à contre-courant, les particules de la couche frottent les unes contre les autres, enlevant ainsi toutes les matières collantes telles que les boues ou les algues. On peut terminer le lavage à contre-courant en quelques secondes.La structure des filtres selon l'invention entrain une distribution uniforme dans la couche, ce qui élimine toute force explosive agissant à travers le centre de la couche et qui dérangerait la configuration plate de la surface de la couche. L'invention est décrite plus précisément en regard des dessins annexés sur lesquels les mimes références désignent des parties semblables. La figure 1 montre le mode d'exécution le plus simple de l'invention. On peut utiliser un récipient ou réceptacle I, de n'importe quelle grandeur ou de n'importe quelle configuration, propre à donner lorsqu'il est vide une vitesse de 0,06 à 0,3 m/s pour un liquide qui a une viscosité de 0,2 à 20 cSo. De réservoir peut être formé de tous les matériaux industriels usuels, comprenant des métaux, alliages et résines synthétiques. Les orifices d'entrée 2 et de sortie 3 peuvent autre disposés comme on l'a représenté, ou bien l'un de ceux-ci, ou tous les deux, peuvent autre situés dans les côtés du récipient, si on le désire. Les figures 2, 3 et 4 montrent quelques-unes de ces variantes de disposition. Il est entièrement possible aussi de prévoir plusieurs entrées et sorties si on le désire, pour augmenter la facilité de fonctionnement. La couche filtrante 5 peut autre formée de toute matière appropriée ayant un diamètre moyen de particules de 0,61 à 38 mm et pouvant donner une fraction de vides de 0,32 à 0,42, comme indiqué dans l'équation donnée plus haut. On peut utiliser la roche concassée, de petites billes de verre, le charbon, le sable et des matières similaires, mais en général, un sable ayant un diamètre effectif d'environ 13,3 à 14,8 mm est préférable. La couche filtrante des figures 1 à 4 est formée de sable de 13,5 à 15 mm et la longueur de la couche dans le sens d'écoulement des figures 1 à 4 est de 0,3 m.La couche est supportée par une base d'écoulement 6 qui a la meme largeur que le récipient et est munie d'un support 7o On peut utiliser, comme base d'écwlement, toute matière telle qu'une toile métallique ou une toile de matière synthétique ayant une assez petite ouverture de mailles pour laisser passer le liquide tout en retenant l'agent de la couche filtrante, par exemple un grillage de puits. De préférence, on utilise un tamis d'acier inoxydable ayant une ouverture de mailles de 0,51 mm. Le support de la base d'écoulement peut être formé d'une série de traverses ou poutrelles ou d'une grille ou d'un grillage de toute configuration désirée. Le support peut être formé de toute matière douée d'intégrité structurale et compatible avec le liquide à filtrer. Par exemple, l'acide inoxydable est préférable quand on filtre de l'eau, la fonte et le zirconium sont préférables quand on filtre de l'acide sulfurique et le titane est préférable quand on filtre des solutions d'acide chlorhydrique. Mais, meme dans ces deux derniers cas, on peut utiliser une matière non compatible comme l'acier inoxydable, revêtue de "Teflon". lie support peut aussi comporter des attaches qui maintiennent la base d'écoulement, ou bien la base d'écoulement peut être boulonnée ou fixée d'une autre façon au support, si on le désire. La figure 2 montre une variante de l'invention dans laquelle la sortie 3 est située sur le coté du récipient 1, tandis que la base d'écoulement 8 est un cylindre creux horizontal autoporteur formé de la meme matière que la base d'écoulement de la figure 1. Le cylindre 8 peut avoir tout diamètre désiré mais le diamètre est habituellement de 5 à 40 cm, de pré férence de 20 cm. Lecyllndre 8 s'étend généralement sur la largeur du récipient 1 et présente une plaque plane 10 qui ferme l'extrémité opposée à celle de la sortie Le réservoir peut être muni d'une bride annulaire Il destinée à recevoir et à supporter l'extrémité fermée du cylindre.L'extrémité de sortie du cylindre peut être munie d'une bride annulaire 14 qui peut être fixée à l'orifice de sortie du récipient 1 avec l'aide de joints, si on le désire, de manière à assurer une bonne étanchéité. Le fond du récipient 1 peut aussi comporter une ouverture auxiliaire 16 qui peut servir de sortie auxiliaire; autrement, il n'est pas nécessaire qu'il existe une zone importante sous le cylindre 8. Le récipient 1 peut contenir plus d'un cylindre, selon les dimensions du récipient et le diamètre des cylindres. La figure 3 montre une autre variante de l'invention dans laquelle la largeur du récipient 1 est supérieure à sa hauteur et l'entrée 2 et la sortie 3 sont situées toutes deux sur les c8tés du récipient. Evidemment, la sortie 3 et l'entrée 2 peuvent se trouver sur des côtés opposés du récipient 1. Plusieurs cylindres 8 sont fixés au collecteur 20, bien que chacun des cylindres 8 puisse être relié individuellement à l'une de plusieurs sorties 3o De cette manière, on peut utiliser autant de cylindres que le permettent le diamètre des cylindres et la grandeur du récipient. Les cylindres sont supportés par des profilés 19, bien que l'on puisse aussi utiliser les supports 7 mentionnés à propos de la figure 1.Toutefois, la région si- tuée au-dessous des cylindres 8 est pratiquement une zone morte et de toute façon, il est possible de s'en passer. Le récipient 1 contient aussi un distributeur d' écoulement 30, un mode d'exécution de celui-ci étant représenté plus spécialement sur la figure 5. Le distributeur d'écoulement 30 est relié à lten- trée 2 du récipient i, et présente une configuration cylindrique creuse et une série de trous ou perforations 32 au sommet. Le liquide à traiter est introduit sous pression dans le distributeur 30. La force avec laquelle le liquide est introduit a pour effet de le pousser hors du distributeur, à travers les trous 31 dont chacun laisse passer pratiquement la mebme quantite de liquide. De cette manière, on peut réaliser une distribution uniforme du liquide à filtrer, et le filtre peut fonctionner à sa capacité optimale. Pour réduire la tendance du liquide à s'écouler le long des cotés du récipient 1, des déflecteurs peuvent être prévus sur les parois intérieures de celui-ci. Sur la figure 3, le récipient 1 est muni i'une valve de sommet 18 servant à laisser sortir le contre-courant quand on nettoie la couche 5. Sur la figure 4, la couche 5 est supportée par la base d'écoulement 6 placée sur le support 7, ces parties étant conformes à ce que l'on a décrit pour la figure 1. lie distributeur d'écoulement 30 est relié à l'entrée 2 et muni d'une valve de sommet 18 ces parties étant conformes à ce que lton a décrit pour la-figure 3. Toutefois, le récipient 1 contient un deuxième distributeur d'écoulement 30 relié à la sortie 3 et par lequel le liquide relativement filtré quitte le récipient 1. Le deuxième distributeur d'écoulement sert aussi à laver la couche à contre-courant. La figure 5 montre un type de distributeur dlécoule- ment 30 qui peut servir dans les ensembles illustrés par les figures 1 à 4o le distributeur d'écoulement est un élément cylindrique creux 31 contenant des trous ou perforations 32, en toute configuration désirée. Le distributeur 30 est relié au récipient 1 par la bride 35, avec l'aide de joints, Si on le désire, de manière à assurer un assemblage étanche. Le distributeur 30 peut être simplement fermé à l'extrémité opposée à l'entrée 34. lia distribution d'écoulement est uniforme lorsqu'il existe un équilibre entre (a) la force communiquée par le liquide qui afflue au tuyau, (b) la perte de pression le long du tuyau distributeur et (c) la perte de pression due à l'écoulement du liquide par la perforation. En pratiquez l'équilibre se produit lorsque les rapports (a):(b) et (b):(c) sont inférieurs ou égaux à 1:10. On a décrit l'invention ci-dessus de façon très détaillée, mais il va de soi que ces détails servent seulement à l'illustrer et que lthomme de l'art peut y apporter des modifica- tions sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de filtration sélective de fibres et de particules de grosseur supérieure à environ 0,23 mm, contenues dans un liquide, caractérisé en ce qu'on fait passer le liquide à travers une couche filtrante formée d'un seul agent, à un débit d'environ 2050 à 8200 1/mn/m2, le régime hydraulique du filtre étant représenté par la formule H/L = 3,4 (1 - # ) V1,715 ( #/ e)0,285 D-1,285 dans laquelle H est la chute de pression par unité de longueur de la couche filtrante, L est égal à au moins 0,3 m, E vaut de 0,32 à 0,42, V vaut donc de 0,06 à 0,3 m/s, # vaut de 0,2 à 20 cPo, e vaut de 0,64 à 2,08 g/cm3 et D vaut de 0,61 à 38 mm, les unités employées dans ladite formule étant des unités américaines, à savoir des psi (1 psi=0,0703 kg/cm) pour H, des pieds ( 1 pied = 30,480 cm) pour L et D et des pieds par seconde pour V, et des pounds par pied cube ( 1 pound par pied cube = 0,016 g/cm3/ pour e, la viscosité étant exprimée en centipoises. 2. Filtre destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la-revendication 1, comprenant un récipient muni d'au moins une entrée par laquelle on introduit le liquide à filtrer, d'au moins une sortie par laquelle le liquide filtre quitte le réservoir et d'une couche filtrante formée d'un seul agent, supportée par une base d'écoulement horizontale, ladite base d'écoulement étant située à l'ouverture de la sortie ou au-dessus de cette ouverture, 3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que L est compris entre 0,3 à 0,6 m et la couche filtrante est formée de sable ayant un diamètre effectif de 1353 à 14,8mm. 4. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la base d'écoulement est un tamis. 5. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le récipient contient un distributeur d'écoulement relié à l'entrée ou à la sortie.