Brevet FR2326957A1 — publié le 19770506

La présente invention concerne un procédé pour débarrasser des matières solides accumulées une surface de membrane utilisée dans une installation, telle qu'une installation d'ultrafiltration ou dtosmose inverse. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un procédé accéléré relativement simple qui consiste à utiliser des gouttelettes d'eau dans un courant d'air sous pression à grande vitesse introduit d'une manière répétée pour effectuer le nettoyage d'une surface de membrane. Dans tous les procédés de séparation au moyen d'une membrane, il est considéré comme classique d'effectuer périodiquement un contre balayage dans les appareils et de nettoyer les surfaces de membrane avec un courant de nettoyage. La fréquence et le type des opérations de nettoyage varient avec le type particulier de courant d'alimentation qui est traité et, d'une manière générale, avec la quantité de matières solides, graisses, corps gras, huiles, etc. qui peuvent provoquer un encrassement des surfaces de membrane. Il est également connu et généralement courant dans le domaine de la séparation par membranes d'utiliser périodiquement certains additifs ou agents de nettoyage. Par exemple, dans le domaine du traitement de certaines matières alimentaires et dans le traitement du petit lait du fromage pour obtenir des protéines et du lactose, il peut se produire une croissance de champignons et de bactéries sur les membranes et dans les collecteurs ou autres parties de l'appa- reillage, en particulier dans les zones à faible débit. Afin d'assurer l'obtention d'une installation propre, non contaminée, on peut utiliser une solution désinfectante ajoutée â un fluide de lavage au cours du processus de nettoyage périodique.Une telle solution peut, par exemple etre une solution faible d'acide hypochloreux ou un complexe d'acide phosphorique et d'iode, ou certains des agents de nettoyage utilisés dans l'industrie de la laiterie pour éliminer les moisissures et diverses croissances bactériologiques. Quoiqu'il en soit, l'opération de nettoyage type a utilisé jusqu' ici des opérations de contre-balayage et d'écoulement de fluide de nettoyage, entraînant une perte de temps importante. A l'opposé, le présent procédé de nettoyage perfec,tionné est rapidement effectué avec de l'air sous pression et utilise des quantités minimales d'eau ou de liquide de nettoyage. En fait, on peut considérer que l'un des principaux buts de l'invention est d'utiliser des gouttelettes d'eau dans un courant d'air à grande vitesse pour effectuer ltenlèvement de la matière d'encrassement sur une surface de membrane. A l'opposé des écoulements de liquide se déplaçant plus lentement, le présent procédé de nettoyage perfectionné fait usage d'un écoulement d'air à grande vitesse et de l'effet de choc ou de balayage qui l'accompagne résultant des mouvements à grande vitesse des gouttelettes de liquide qui sont emportées le long des surfaces de membrane avec le courant d'air. Sous un aspect voisin, on peut considérer que l'un des buts de la présente invention est d'éliminer l'écoulement "bouchon" ou en bloc d'un courant liquide, utilisé dans les procédés de nettoyage classiques, et d'utiliser à la place un procédé de nettoyage au moyen de gouttelettes d'eau à grande vitesse. Dans chaque cas, l'elément modulaire à membrane n'est que partiellement rempli d'eau puis est purgé avec de l'air à grande vitesse pendant quelques i- nutes de façon à ne chasser que de petites masses d'eau, puis ensuite uniquement des gouttelettes d'eau le long des surfaces de membrane pour effectuer 1'enlèvement des matières solides accumu- lées. Suivant un mode de réalisation, l'invention a pour objet un procédé rapide perfectionné pour nettoyer les surfaces de membrane d'un appareil de séparation à membrane après qu'il ait été utilisé qui comprend les étapes qui consistent à remplir partiellement les conduits de fluide avec de l'eau puis à les purger avec de 11 air à une pression supérieure à la pression atmosphérique pour provoquer le déplacement de gouttelettes d'eau à grande vitesse sur les surfaces de membrane et enlever les matières accumulées et à répéter l'opération de l'étape précédente pour effectuer une élimination pratiquement complète de toutes les matières accumulées et de pratiquement toutes les gouttelettes d'eau des surfaces de membrane sans permettre un quelconque séchage de la membrane. Dans le domaine des installations d'osmose inverse qui fonctionnent sous des conditions de pression plus élevées que les appareils d'ultra-filtration, il peut être recommandé d'effectuer initialement une suppression de la pression dans toute l'installation et de permettre que s'effectue un contre-balayage osmotique à travers les membranes afin de produire un soulèvement ou détachage initial de la matière accumulée des surfaces de membrane. Après avoir laissé s'effectuer le processus de contre-balayage, on peut effectuer des purges répétées des conduits de fluide et des surfaces des membranes avec de l'air à grande vitesse et des gouttelettes d'eau entraînées.Typiquement, un fonctionnement de quelques minutes seulement est nécessaire pour chaque étape de purge et, dans de nombreux cas, l'ensemble du processus de nettoyage peut ê- tre achevé en une période d'approximativement 10 minutes. Il est, naturellement désirable d'utiliser des courants d'air sous pression, à une pression comprise dans la plage allant de 1,38 bars à 6,9 bars. La pression varie selon le type de l'instal lation à membrane et la résistance à l'écoulement ou en fonction de considérations relatives à la perte de charge dans un appareil particulier. Par exemple, dans les modules utilisant une série d'organes tubulaires de petit diamètre contenant une membrane, en particulier dans le cas où l'écoulement du fluide s'effectue d'une manière sinueuse, il se produit une plus forte perte de charge que dans un appareil utilisant un plus petit nombre de tubes de plus grand diamètre ou que dans un dispositif à plaques et cadres dans lequel les trajets d'écoulement ont une surface en section transversale relativement grande. Bien entendu, le présent procédé de nettoyage perfectionné ne doit pas être considéré comme limité à un type quelconque de module ou d'appareil de séparation à membrane étant donné que le procédé peut être appliqué aux divers types d'organes porte-membrane de forme tubulaire ainsi qu'aux membranes à surface plate utilisées dans la construction du type à plaques et cadres. De même, la présente opération de nettoyage ne doit pas être considérée comme limitée à un type quelconque de procédé de séparation a' membrane bien que la période de temps nécessaire et le nombre des rempli s sages en liquide de purge et des écoulements de courant d'air à grande vitesse puissent varier selon la facilité d'enlèvement des matières solides accumulées sur la surface de membrane. Par exemple, pour débarrasser des matières solides accumulées constituées par du fromage, par des globules de matière grasse etc..., des surfaces de membrane d'un appareil d'ultra-filtration traitant le petit lait du fromage, un nombre relativement limité d'étapes de pur ge avec de l'air et des gouttelettes d'eau réalise le nettoyage désiré des surfaces de membrane de telle sorte que la totalité de l'opération peut être effectuée en une période de 10 à 12 minutes. Par contre, dans certaines opérations à haute pression effectuées dans des appareils de séparation à osmose inverse, il peut être nécessaire d'effectuer un contre-balayage initial par inversion de la pression osmotique et une multiplicité de purges de nettoyage utilisant le courant d'air à grande vitesse et des gouttelettes d'eau entraînées. L'air seul peut être utilisé dans la plupart des opérations de nettoyage; cependant, la présente invention ne doit pas être considérée comme limitée à l'utilisation de l'air étant donné que du gaz carbonique, de l'azote ou autre milieu gazeux sous pression peut être avantageusement utilisé. Dans certains cas, il peut être avantageux d'utiliser des mélanges d'air et de courant basse pression. Ainsi, on doit noter que le terme "air" est utilisé ici dans un sens générique et que l'invention ne doit pas être limitée à la seule utilisation d'air.De même, les remplissages partiels "d'eau" afin d'obtenir des "gouttelettes d'eau" peuvent comporter de l'eau avec une matière d'addition, c'est-#-dire un agent de nettoyage, un bactéricide, une solution désinfectante, telle que le complexe acide phosphorique-iode, l'acide hypochloreux,précités, etc.. Ain- si, aux fins de la présente invention, le terme "eau" est également utilisé dans un sens générique et la portée de l'invention n'est pas limitée à la seule utilisation d'eau. Suivant un autre aspect de l'invention, des précautions doivent être prises pour empêcher la dessication de la surface de membrane, étant donné que l'acétate de cellulose et les autres matières de membrane typiques peuvent être endommagés lorsqu'ils sont complètement desséchés. Ainsi, au cours de toutes les étapes de purge répétées ou au cours d'une étape de purge finale, des précautions doivent être prises afin d'empêcher qu'un courant d'air continu s'écoule après que la plus grande partie de l'eau et des gouttelettes d'eau a été purgée des surfaces de membrane. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard du dessin annexé sur lequel - la Fig. 1 est une vue partielle, en coupe verticale, d'un module de séparation du type tubulaire dans lequel les surfaces de membrane sont coulées sur la paroi intérieure d'un certain nombre d'organes tubulaires de petit diamètre; - la Fig. 2 représente schématiquement une construction du type à plaques et cadres dans laquelle les surfaces de membrane sont coulées sur des éléments supports poreux plats et dans laquelle une disposition d'écoulement sinueux est prévue pour faire passer un courant de fluide sur les diverses surfaces de l'appareil. Sur la Fig. I à laquelle on se référera maintenant, on a représenté un module de séparation à membrane qui est délimité par une enveloppe extérieure l et comporte une série d'éléments 2 poreux de forme tubulaire supports de membrane et des organes d'extrémité 3 et 4 formant distributeurs. Ces derniers sont, à leur tour, serrés et fermement appliqués sur les extrémités des tubes respectifs par des capuchons d'extrémité 5 et 6 qui sont appliqués fermement contre les organes distributeurs respectifs 3 et 4 sous l'action d'une force de serrage sous tension fournie par une tige filetée 7 et les écrous 8 et 9. Dans le présent dispositif, un écoulement sinueux suivant des trajets multiples et imposé au fluide à traiter grâce å une série d'éléments ou conduits d'inversion 10 de direction en forme de U disposés dans les organes distributeurs 3 et 4. Des moyens d'admission et d'évacuation sont également raccordés aux organes distributeurs de telle sorte que le courant à traiter peut être introduit dans le trajet d'écoulement sinueux pour venir en contact avec les surfaces de membrane disposées à l'intérieur des organes tubulaires 2. Dans ce cas, les surfaces 11 de membrane intérieures sont représentées comme étant coulées sur l'intérieur de chacun des éléments tubulaires 2.Il est également représenté des moyens d'admission 12 disposés sur le côté des moyens distributeurs 3 de telle sorte que le courant d'alimentation est conduit jusqu'aulx tubes 2 puis dans le trajet sinueux à travers le module jusqu'# un orifice de sortie qui peut être formé, soit dans les moyens distributeurs 3, soit dans les moyens distributeurs 4. Le "perméat", c'est-à-dire le liquide qui traverse les surfaces de membrane, s'écoule à travers les surfaces li de membrane et à travers les pores des parois des tubes 2 pour être recueilli à l'intérieur de la zone centrale collectrice du perméat, délimitée par l'enveloppe I, et extrait de cette zone par des prifices d'évacuation, non représentés sur le dessin.Divers types de constructions de tube peuvent être utilisés; cependant, dans chaque cas, la série de tubes 2 est une construction qui a une porosité du type de celle des tubes formés en résine poreuse renforcée de fibres de verre de façon â être perméable aux courants de fluide sous pression de la manière décrite dans le brevet des USA NO 3.547.170. Pour mettre en oeuvre le procédé de nettoyage perfectionné selon la présente invention, on effectue un remplissage partiel des organes tubulaires 2 avec de l'eau, à laquelle a été ajoutée une solution de nettoyage ou une solution désinfectante, puis de l'air â haute pression est introduit par les moyens d'admission 12 de façon à provoquer un écoulement d'air à grande vitesse dans la totalité du trajet sinueux du module et simultanément à entraîner une multiplicité de petites gouttelettes d'eau 13, comme schématiquement représenté dans le tube initial 2 et dans les conduits d'inversion 10. Le courant d'air à grande vitesse entraînant les petites masses d'eau initiales et les gouttelettes d'eau entraînées résultantes, au lieu d'un lent "écoulement bouchon" d'eau, assure l'action de balayage désirée et provoque les chocs désirés contre les surfaces de membrane ainsi que contre les conduits d'inversion incurvés, pour détacher rapidement les matières solides accumulées des conduits et des surfaces de membrane.On peut effectuer des remplissages par tiels répétés des tubes 2 avec le fluide et des introductions répétées d'air sous pression pour effectuer plusieurs purges avec le courant à grande vitesse et les gouttelettes entraînées jusqu'à ce que la totalité des matières accumulées paraissent être enlevées de l'installation Comme précédemment indiqué, dans le cas de nombreuses opérations du type ultra-filtration, il peut arriver que deux, trois ou quatre purges nettoyent d'une manière entièrement efficace les surfaces de membrane et autres parties des conduits de façon à permettre la remise en service du module. Par contre, avec les installations d'osmose inverse qui peuvent fonctionner à des pressions élevées, dans la plage de 20 bars à 70 bars, les matières solides et graisseuses peuvent être suffisamment imprégnées dans les membranes d'osmose inverse pour qu'un certain contre-balayage soit désirable en tant qu'étape préliminaire à l'exécution de multiples purges avec un courant d'air et des gouttelettes entraînées. Dans certains cas, le fait de faire tomber rapidement la pression de 1' installation à osmose inverse et de permettre à un contre-balayage osmotique d'effectuer un certain soulèvement de la matière des surfaces de membrane suffit en tant qu'étape préliminaire aux purges répétées d'air et de gouttelettes d'eau. Sur la Fig.2, à laquelle on se référera, on a représenté une enveloppe 14 du type serrable qui entoure une série d'organes poreux 16 et les serre, les organes poreux 16 portant à leur tour des surfaces 17 de membrane sur chacune de leurs faces pour réaliser la séparation désirée d'un courant d'alimentation qui est introduit par un orifice d'admission 15. Des organes d'espacement 18 sont prévus aux extrémités et sur les parties de paroi latérale de l'organe 16 support de membrane afin de former à leur tour la série de conduits 19 de fluide espacés entre les organes 16 espacés. Ces derniers sont également munis d'ouvertures appropriées 20 à leurs extrémités alternées de telle sorte qu'un trajet d'écoulement sinueux peut être formé pour le courant d'alimentation entrant dans l'appareil de fa çon qu'il passe sur les diverses surfaces 17 le long de la série de conduits 19.La disposition représentée est naturellement schématique et ne doit pas être considérée comme limitative en ce sens que divers types d'organes poreux plats peuvent être avantageusement utilisés pour supporter les surfaces de membrane pour un module de séparation du type à plaques et cadres. Quoiqu'il en soit, conformément à la présente invention, lorsque les surfaces de module sont encrassées par une accumulation de matières solides, le courant d'alimentation est interrompu et plusieurs purges avec un courant d'air et de gouttelettes d'eau sont effectuées.Dans ce cas, l'ensemble du module est partiellement rempli d'eau puis de l'air sous pression élevée est introduit par orifice d'admission, tel que l'orifice 15, et un courant d'air à grande vitesse est amené à s'écouler par la série de conduits 19 de façon a' provoquer le déplacement de gouttelettes d'eau 21 à grande vitesse avec le courant d'air pour effectuer l'enlèvement désiré des matières accumulées des surfaces de membrane. Dans ce cas également, l'opération est effectuée trois ou quatre fois ou une douzaine de fois, selon la nature des matières accumulées sur les surfaces des membranes.Comme indiqué précédemment, un petit nombre d'opérations de nettoyage effectuées en une période totale de 10 a 12 minutes est suffisant pour de nombreuses opérations de nettoyage tandis que, dans d'autres cas, dix opérations de nettoyage ou plus peuvent être avantageusement effectuées pour assurer l'obtention d'un état propre désiré de la totalité du module. Au cours des diverses étapes, ainsi que lors de la purge finale, le courant d'air à grande vitesse n'est appliqué que pendant la période de temps nécessaire pour enlever la totalité de la plupart des gouttelettes d'eau de l'installation tout en prenant soin, en même temps, de ne pas permettre une dessication de l'une quelconque des surfaces de membrane du module de façon à éviter qu'il puisse être porté atteinte au rendement de séparation de l'une quelconque des surfaces. L'inversion du sens de la purge s'est avérée également efficace pour accroître le degré de nettoyage et réduire le temps nécessaire pour effectuer le nettoyage. REVENDICATIONS I. Procédé rapide perfectionné pour nettoyer les surfaces de membrane d'un appareil de séparation à membrane après qu'il ait été utilisé, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à remplir partiellement les conduits de fluide avec de l'eau puis à les purger avec de l'air à une pression supérieure à la pression atmosphérique pour provoquer le déplacement de gouttelettes d'eau à grande vitesse sur les surfaces de membrane et enlever les matières accumulées et à répéter l'opération de l'étape précédente pour effectuer une élimination pratiquement complète de toutes les matières accumulées et de pratiquement toutes les gouttelettes d'eau des surfaces de membrane sans permettre un quelconque séchage d'une membrane au cours d'une étape quelconque. 2. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'avant le remplissage partiel des conduits avec de l'eau, on laisse se produire un contre-balayage osmotique à travers les surfaces de membrane afin de provoquer un détachage initial des matières de ces surfaces. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,caractérisé en ce que les conduits de fluide sont initialement partiellement remplis d'eau contenant un agent de nettoyage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les conduits de fluide sont initialement partiellement remplis d'eau contenant un fluide désinfectant pour la prévention des croissances bactériologiques. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le courant d'air est à une pression d'au moins 1,38 bars environ. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 å 5, caractérisé en ce qu'au cours des purges répétées, avec un courant d'air, on effectue une inversion du sens d'écoulement de l'air pendant l'une au moins des purges.