Brevet FR2313961A1 — publié le 19770107

La présente invention se rapporte aux filtres et à la filtration des fluides, notamment au moyen d'une masse fibreuse. Un procédé particulierement utilisable pour débarras sèr un fluide-de particules consiste à le filtrer au moyen d'un élément filtrant composé dtune masse de fibres. Mais, en s'accumulant sur la surface des fibres, ces particules colmatent rapidement le filtre, ce qui tend à y augmenter la perte de charge. Par ailleurs, lorsque cette perte de charge augmente ou que le débit du fluide est subitement accru, la masse tend à se comprimer, ce qui augmente encore la perte de charge et la compression, Ces inconvénients sont particulièrement sensibles lorsque la filtration est utilisée pour limiter le développement des bactéries dans un fluide circulant en circuit fermé, car le filtre ne limite plus la concentration en bactéries lorsqu'il est colmaté. Il a été constaté qutil est possible de conserver au filtre son efficacité pendant une durée beaucoup plus longue en complétant la filtration par passage dans la masse par une filtration par surface. Le terme "filtration par surface" signifie dans le cas particulier que le fluide pénètre dans la masse et en sort par une seule et meme surface, sans la traverser d'une surface à ltautre. L'invention concerne un filtre qui comprend une masse de fibres dont la face amont limite une chambre d'entrée et dont la face aval constitue une paroi d'une chambre de sortie, cette masse pouvant laisser passer le fluide de ltune I'au- tre de ces chambres, celles-ci communiquant par ailleurs par ltintermédiaire d'un organe de dérivation, destiné à laisser passer directement une partie du fluide de la chambre a'entrée à la chambre de sortie, et disposé de façon que cette partie srécoule le long des faces amont et aval, en y subissant une filtration par surface. L'invention concerne aussi un procédé de filtration de fluides qui consiste à faire passer une partie de ce fluide dans une masse de fibres, de la face amont à la face aval de celle-ci,et à réaliser en m#me temps une filtration par surface en amenant le reste du fluide en contact avec ces faces amont et aval, sans le faire passer entre ces faces. La raison pour laquelle ce pro codé augmente notablement la durée pendant laquelle le filtre conserve son efficacité n'est pas évidente Cependant, bien que le domaine de Irinvention ne doive pas Entre limité par une théorie particulière, il semble que#, outre le fait qutelle rend maximale la surface effective de filtratio#n, la filtration par surface crée des zones dans lesquelles le fluide circule en sens inverse de celui qui traverse la masse On suppose que ce passage à contre-courant réduit le colmatage et les inconvénients provenant du tassement des fibres de cette masse. Le procédé et le filtre selon ltinvention conviennent particulièrement pour limiter le nombre des particules qui sont produites continuellement dans une installation en circuit fermé dans laquelle il faut maintenir à une faible valeur tolérable la concentration en particules contaminantes. Il est possible par exemple dtutiliser le filtre pour limiter le développement des particules qui se reproduisent spontanément, telles que les microorganismes (par exemple les bactéries, les levures ou les spores fongueux) dans les fluides circulant en circuit fermé, Ce filtre est par conséquent utilisable pour limiter la reproduction des microorganismes dans les fluides tels par exemple que les émulsions d'huile de coupe pour ltusinage des métaux, les émulsions de vernis, les solutions dtimprégnation de tissus, lyeau des piscines, les liquides utilisés pour fabriquer des boissons (bières, vins, liqueurs, boissons non alcoolisées, vinaigre) ou en pharmacie (le plasma par exemple), mais cette énumération ntest pas limitative. Le procédé et le filtre selon l'invention conviennent aussi bien pour filtrer les microorganismes de fluides qui contiennent des particules d'autres substances tendant plus que ces microorganismes à colmater le filtre.- Par exem ple, les émulsions d'huile de coupe sont rapidement contami liées, non seulement par des bactéries, mais encore par de la limaille et des débris.Il a été constaté avec surprise qu'il est possible de limiter très longtemps la concentration en bactéries de ces fluides, avec une perte de charge admissible, en utilisant des filtres selon l'invention : les filtres clas- siques sont rapidement colmatés complètement, et ne peuvent donc plus limiter le développement des microorganismes. L'invention n'estkas limitée:a' l'utilisation d'une fibre particulière. Il est possible d'utiliser par exemple des fibres naturelles ou synthétiques organiques, de cellulose, de coton, de viscose, de polyamides de polyesters, de rayonne et de polypropylène, ou minérales, de verre, de silice, de silicates dtaluminium, d'amiante et d'oxydes réfractaires (métalliques par exemple). Le genre de fibre choisi pour une utilisation par ticulière dépend des caractéristiques de filtration exigées. Par exemple, la demande de brevet britannique n0- 10273/73 de la Demanderesse (qui correspond au brevet belge n0 811 600) décrit un procédé de traitement des émulsions d'huiles de coupe, consistant 'a faire passer ces émulsions dans un filtre composé de fibres minérales0 tes fibres appropriées sont celles d'amiante, de verre et de silicate d'aluminiumet il est particulièrement avantageux d'utiliser des fibres synthétiques polycristallines d'oxydes réfractaires, de zircone, dtalumine et dtalumine-siliee par exemple. Le diamètre moyen de ces fibres est compris avantageusement entre 0,1 et 10 microns, et par exemple entre 0,5 et 5 microns. Il est bon aussi que leurs diamètres restent voisins du diamètre moyen et qutelles soient pratiquement exemptes de "globules" (substances non fibreuses), Il est possible de fabriquer des fibres polycristallines d'alumine, de zircone et d'alumine-silice au moyen du procédé de soufflage décrit dans le brevet britannique no 1 360 197. La masse de fibres peut se présenter sous diverses formes, par exemple de flocons, de molleton, de papier, de tissu ou de fils fins ou gros, bien que les avantages du procédé et du filtre selon l'invention soient plus évidents si elle a une forme (floconneuse ou molletonnée par exemple) susceptible d'#tre comprimée. Il est possible utiliser des fibres continues ou en brins. Organe de dérivation qui relie la chambre d'entrée du fluide à la chambre de sortie peut avoir diverses configurations. Il peut par exemple être une plaque perforée ou un tube de diamètre déterminé. Il peut laisser passer le fluide dans la chambre de sortie continuellement ou par intermittence. Dans une variante, il peut etre sensible à la pression de façon à ne laisser passer ce fluide que lorsque la différence de pression de part et d'autre du filtre est-supérieure à une valeur prédéterminée, et ce peut etre alors une plaquette repoussée par un ressort. Il a cependant été constaté qutun filtre dans lequel du fluide passe continuellement dans organe de dérivas tion donne des résultats plus réguliers et est mieux capable de stadapter à des variations soudaines du débit du fluide, et c'est cette forme qui est préférée. Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse de lrînvention, la masse de fibres est tassée dans une cartouche, cylindrique par exemple, à alésage axial et section régulière (annulaire par exemple). Des trous de la paroi de cette cartouche, par exemple, permettent au fluide draccéder à cette masse. La cartouche est montée dans une enveloppe, cylindrique par exemple, comportant des passages d'entrée et de sortie du fluide. Elle est avantageusement amovible.Le sens de passage du fluide n'est pas critique, et ce fluide peut par exemple passer du passage d'entrée à ltalésage axial, qui constitue. ainsi la chambre d'entrée.- Il traverse ensuite la masse de fibres et penètre dans ltespace annulaire compris entre la surface extérieure de la cartouche et ltenveloppe, puis va au passage de sortie. Cet espace annulaire constitue donc la chambre de sortie. Ltorgane de dérivation est monté avantageusement à l'extrémité inférieure (aval) de llalésage et relie celui-ci à l'extrémité inférieure (amont) de l'espace annulaire. Le fluide qui y passe longe donc toute la surface amont et aval de la masse, de façon à rendre maximale la filtration par surface. Il est évident que le fluide pourrait aussi bien passer dans l'autre sens; dals ce cas,ltespace annulaire qui sépare la cartouche de l'enveloppe devient la chambre d'entrée, tandis que l'alésage axial de cette cartouche devient la chambre de sortie. La forme de réalisation qui comporte une cartouche logée dans 12enveloppe dPun filtre convient particulièrement pour filtrer des fluides tels que des émulsions d'huile de coupe pe. A cet effet, la cartouche est convenablement en métal ou matière plastique, perforée et remplie de flocons de fibres non organiques (par exemple la fibre polycristalline de zircone vendue sous la marque "affil"). La densité apparente de la masse est avantageusement comprise entre 0,06 et -0,34, et elle est par exemple égale à 0,25 lorsqu'elle est composée de fibres de zircone. Le rapport de la quantité de fluide qui traverse la masse à celle qui passe par ltorgane de dérivation dépend d'un certain nombre de facteurs, tels que son débit total, les dimensions des chambres d'entrée et de sortie, la section de passage dans cet organe, la densité apparente de la masse filtrante et la quantité de particules retenues sur sa surface. Il est possible de déterminer les paramètres de réalisation du filtre de façon à obtenir le rapport désiré pour un débit total donné et en fonction de la quantité de particules suffisante pour altérer dans une proportion donnée le fonctionnement de ce filtre Bien que le fluide qui passe par l'organe de dérivation soit filtré jusqutå un certain point par son contact avec la surface aval de la masse, il peut cependant contenir des particules non filtrées lorsqu'il sort du filtre, Dans la plupart des cas, il est possible de tolérer une faible eoncen- tration en particules à la sortie, notamment dans les ins tallations en circuit fermé comme celles qui sont utilisées pour filtrer les microorganismes.Il est donc possible de déterminer les paramètres de réalisation du filtre de manière à obtenir un équilibre entre la durée de service acceptable de ce filtre et la concentration en particules tolérable dans le fluide qui en sort. Par exemple, on a fait passer dans un filtre dont organe de dérivation était une plaquette percée dtun seul trou de 6,35 mm de diamètre et dont l'interstice annulaire entre la cartouche et lgenveloppe avait une largeur de 3,2 min, 4,5 litres par minute d'une émulsion d'huile de coupe. Le rap port initial des débits était égal à 60 % ; après 12 semaines, les débits ont été de 30 % dans la masse filtrante de la cartouche et de 70 % dans l'organe de dérivation. Il convient en général de faire en sorte qutaprès une- période égale à la moitié de la durée de service de la cartouche, 50 % du fluide traversent cette cartouche et 50 % passent par organe de dérivation, ce qui représente 50 % de filtration par traversée et 50 go de filtration par surface L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif dont la figure unique est une coupe par ltaxe X-Xt dtun filtre composé d'une enveloppe et dSune cartouche remplaçable. Ce fluide il comporte un corps 12 à canaux d'entrée 13 et de sortie 14 du fluide. Une tige filetée 16, vissée dans un trou taraudé 17 de ce corps 12, fixe à celui-ci un capuchon amovible 15. Un joint 18 disposé entre ce capuchon 15 et le corps 12 assure l'étanchéité. Les surfaces périphériques intérieure 21 et extérieure 22 dtune cartouche filtrante tubulaire 19, à section annulaire, sont percées de trous 20, de façon que le fluide puisse accéder à la masse 23 de fibres contenue dans cette cartouche. Celle-ci est montée dans le capuchon 15 coaxialement à l'axe X-X' Un ressort 26, qui entoure la tige 16, applique une plaquette de dérivation 24 contre l'extrémité inférieure 25 de ladite cartouche 19, et applique hermétiquement cette dernière contre un rebord 27 du corps 12. La plaquette 24 comporte deux ouvertures circulaires 28, 29 permettant au fluide de passer l'une chambre d'en- trée 30 limitée par la périphérie intérieure 21 de la cartouche 19 à une chambre de sortie 31 qui est limitée par la périphérie extérieure 22 de cette cartouche l9 et par le capu chose Le fluide peut passer, non seulement par ces ouvertures 28, 29 de la plaquette 24, mais aussi de-la périphérie intérieure 21 à la périphérie extérieure 22 de la cartouche en traversant une surface de pénétration 32 et une surface de sortie 33 de la masse 230 En service, le fluide est envoyé dans la chambre dtentrée 30 par le canal 13.Il passe ensuite dans la chambre de sortie 31, soit en traversant la masse 23, soit directement par les ouvertures 28, 29 de l'organe de dérivation 24. Il sort de cette chambre 31 par le canal 14. La partie du fluide qui passe dans la masse 23 est filtrée de la manière habituelle, tandis que celle qui passe par la plaquette est filtrée par surface, par son contact avec les surfaces de pénétration 32 et de sortie 33 de cette masse 23. Exemple On a utilisé un filtre du type de celui qui est représenté et dont la masse filtrante était composée de fibres de zircone "Sáffil", pour filtrer une émulsion athuile-de coupe qui circulait continuellement de façon à arroser 1tortil dtun tour, Cette émulsion avait la qualité "synthétique"# courante du commerce. Le tour a travaillé pendant l'horaire quotidien normal, La concentration en bactéries de l'émulsion qui passait dans le filtre est restée à la valeur normale de 105 à 106 par cm3 et il nty a pas eu trace de colmatage de ce filtre, de décomposition bactériologique de l'huile ni de baisse de rendement. Lorsque ltessai a été arrêté après 14 semaines, l'huile était encore en bon état et sa concentration en bactéries était de 105 par cm3. A titre de comparaison, on a remplacé ce filtre par un filtre classique sans organe de dérivation, qui contenait aussi des fibres de Saffil, On a utilisé le mdme tour, avec la même huile et le même horaire. On a utilisé une émulsion neuve qui avait initiale- ment ment une concentration en bactéries égale à 105 par cm3, mais le filtre a été complètement colmaté en trois semaines. La concentration en bactéries a augmenté rapidement de mille fois pour attendre 108 par cm3 avant la fin de la quatrième semai ne; en diminuant ltefficacité de l'huile. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent Qtre apportées au procédé et au filtre décrits sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONX 1. Filtre comportant une masse de fibres dont la surface par laquelle le fluide y pénètre ou surface d'entrée constitue la paroi d'une chambre d'entrée, #dont la surface par laquelle ce fluide en sort ou surface de sortie constitue une chambre de sortie, et qui est destinée à entre traversée par le fluide qui passe de cette chambre d'entrée à cette chambre de# sortie, ce filtre étant caractérisé par le fait que lesdites chambres communiquent de plus par l'intermédiaire d'un organe de dérivation qui est destiné à. faire passer directement une partie du-fluide de la première à la seconaeetlqui est disposé de façon que cette partie s'écoule le long des surfaces d'entrée et de sortie de la masse, ce qui crée au contact de ces surfaces une filtration par surface. 2. Filtre selon la revendication 1y caractérisé par le fait que l'organe de dérivation est/ne plaquette percée d'une ouverture ou plus, ou est un tube, ou réagit à la pression de. façon à permettre au fluide de ne passer que lorsque la différence des pressions de part et d'autre. du filtre est supérieure à une valeur-prédéterminée. 3. Procédé de filtration d'un fluide, caractérisé par le fait que lton fait traverser à une partie de ce fluide une masse de fibres, de la surface d'entrée à la surface de sortie de cette masse et on effectue en mesme temps une fil trationpar surface en amenant la partie restante du fluide en contact avec ces surfaces d'entrée et de sortie sans lui faire traverser la masse. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on fait recirculer le fluide dans le filtre. 5. Procédé selon la revendication 4,-caractérise par le fait que le fluide contient des microorganisme#s. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que le fluide est une émulsion d'huile de coupe. 7. Filtre selon ltune des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les filtres sont en cellulose, en coton, en viscose, en polyamide, en rayonne, en polypropylène, en verre, en silice, en aluminosilicate, en amiante ou en un oxyde métallique. 8. Filtre selon ltune des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la masse est composée de fibres polycrista#llines de zircone, d'alumine ou dtalumine#silice. 9. Filtre selon ltune des revendications 1 et 2, caractérisé -par le fait que le diamètre moyen des fibres est compris entre 0,1 et 10 microns, et avantageusement entre 0,5 et 5 microns. 10. Filtre selon ltune des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la densité apparente de la masse de fibres est comprise entre 0,06 et 0,34