Brevet FR2543012A1 — publié le 19840928

-1 La présente invention concerne un appareil de filtration tan- gentielle applicable à la filtration de fines particules en suspension dans des liquides, en particulier dans des installations de traitement des eaux dans l'industrie agro-alimentaire et dans les bio-industries, par exemple pour la production d'eau très pure, pour la désinfection d'eaux industriel- les ou résiduaires, pour la stérilisation d'eau potable, de jus de fruits ou liquides alimentaires, pour la séparation de biomasse cellulaire; et plus généralement pour toute décontamination poussée de liquides et tout traitement effectué sur membrane microporeuse d'ultrafiltration ou de microfiltration. Le principe de la filtration tangentielle est bien connu; il consiste à créer un déplacement relatif à grande vitesse de la suspension à filtrer et du matériau filtrant poreux de façon à éviter ou à limiter la formation de dépôt sur ce matériau filtrant Cette technique permet la filtration de fines particules en suspension de 0,1 à quelques dizaines de microns en microfiltration, et même de macro molécules de poids molé- culaire supérieur à 10 000 par exemple, en ultrafiltration, pour lesquel- les les procédés classiques de filtration par percolation conduisent à des débits de filtrat très faibles, suite à un colmatage rapide du matériau fil- trant ou à la constitution d'un dépôt d'épaisseur croissante. La technique de filtration tangentielle permet une vitesse de filtration élevée et une opération continue ou semi-continue; en outre, elle permet de définir parfaitement le degré de filtration désiré en fonc- tion des caractéristiques géométriques du matériau filtrant utilisé. Plusieurs types d'éléments filtrants ont déjà été décrits, qui permettent de réaliser une telle filtration tangentielle Le plus ancien appareil connu décrit par le brevet U S S R N O 142 626 de Zhevnovatyi A I en 1961 est constitué par un tube de matériau poreux fixé à l'intérieur d'un second tube, la suspension à filtrer passant sous pression à un débit rapide dans l'espace annulaire entre les deux tubes, le filtrat s'écoulant à l'intérieur du tube poreux. Depuis lors, les matériaux filtrants utilisés ont été perfec- tionnés ainsi que l'écoulement du liquide à filtrer Ainsi, certains appa- reils connus utilisent deux cylindres concentriques, dont le cylindre intérieur est constitué d'une membrane microporeuse, le liquide étant soumis à un écoulement forcé hélicoôdal autour de ce cylindre intérieur. D'autres appareils comportent une série d'éléments filtrants superposés en forme de plateaux, ou de disques, munis sur leurs deux faces de membranes microporeuses, disposés par exemple autour d'un tube collecteur du filtrat, la suspension à filtrer passant successivement entre Iesdisques suivant un trajet hélicoîdal. Il existe également des appareils à plateaux tournants d'une grande complexité mécanique pouvant donner lieu à des phénomènes de corro sion. La principale difficulté rencontrée reste cependant la maîtrise de l'écoulement du liquide à filtrer, sa répartition sur les plateaux et les disques, la limitation, due aux pertes de charges, de la grande vitesse de circulation nécessaire. En outre, le caractère modulaire intéressant pour l'adaptation du matériel au problème à traiter et pour l'accès plus facile au matériau poreux est généralement obtenu au détriment d'une bonne répartition de 1 ' écoulement. La présente invention pallie ces inconvénients en permettant, dans un appareil modulaire facilement lavable et démontable, un écoule- ment hélicoïdal du liquide à filtrer, la plus grande partie du volume de l'appareil étant réservée à l'écoulement, de façon à minimiser les pertes de charge, susceptibles de réduire la vitesse d'écoulement dudit liquide. L'invention consiste en un appareil de filtration, comprenant au moins un module de filtration tangentielle, au moins un orifice pour l'introduction du liquide à filtrer et au moins un orifice pour la sortie du filtrat, caractérisé en ce que chaque module comporte au moins un élé- ment de filtration, consistant en un conduit disposé hélicoildalement dans une enceinte en forme de corps de révolution et qui, formant rampe héli- coidale pour le liquide à filtrer, l'amène à parcourir le module suivant un trajet hélicoïdal, le filtrat s'écoulant à l'intérieur du conduit, d'o il est évacué à l'extérieur du module. -3- Les divers caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre, de quelques une de ses formes possibles de réalisation, données d'ailleurs uniquement à titre d'exem- ples non limitatifs. Au cours de cette description, on se réfère aux dessins ci- joints sur lesquels: la Fig 1 est une vue en perspective d'un module de filtration suivant l'invention, la Fig 2 est une vue schématique d'un appareil de filtration constitué de six modules, les Fig 3 à 5 représentent schématiquement quelques formes de réa- lisation d'installations suivant l'invention. Dans l'exemple traité à la Fig 1, le module de filtration sui- vant l'invention comporte deux éléments filtrants 1, la, se présentant sous la forme de conduit de section rectangulaire dans l'exemple décrit, mais pouvant être aussi bien trapézoïdale et-disposés, suivant deux hé- lices, concentriques et de pas opposé, dans une enceinte cylindrique 2, en toute matière quelconque convenable L'enceinte peut d'ailleurs avoir une autre forme, plus ou moins voisine; par exemple être conique. Chaque élément filtrant hélicoïdal est fait d'un matériau fil- trant, qui constitue ses parois en contact avec le liquide à filtrer et qui peut être avantageusement un tissu métallique, un tissu en une fibre tex- tile quelconque convenable, un feutre, un non-tissé, un corps fritté, une membrane poreuse obtenue à partir de matériaux naturels ou synthétiques, etc dispo sé sur les deux faces d'un support hélicoïdal. Avantageusement, chaque élément hélicoïdal ne règne pas sur la totalité de la circonférence, mais est limité à un secteur inférieur à 360 On verra plus loin l'intérêt d'une telle disposition. Chaque élément filtrant hélicoïdal est rendu solidaire de l'enceinte 2 par tout moyen quelconque convenable, tel que collage, ser- tissage, soudage, etc La surface 3, tant supérieure qu'inférieure, de chaque élé- ment est munie de rainures 4, amenant le filtrat, en vue de sa collecte, 4 - à une tubulure 5, débouchant à l'extérieur du module, pour l'évacuation du filtrat. Le liquide à filtrer est, dans l'exemple représenté à la Fig 1, introduit dans l'enceinte 2 par l'espace 6 il s'écoule, tangentiellement, dans l'enceinte, sur l'élément filtrant 1 qui joue ainsi le rôle d'une rampe hélicoïdale pour le liquide, en vue d'assurer sa filtration tangentielle. Après être passé sur l'élément filtrant 1, le liquide est repris, dans le sens opposé, par l'élément hélicoidal la, jouant également le r 6 le de rampe de guidage pour le liquide à filtrer, dont la partie non filtrée s'é- coule par l'orifice 7 Bien entendu, le module est fermé à ses deux ex- trémités: à sa partie inférieure par un fond (non représenté) dans le- quel arrive le liquide à filtrer et à sa partie supérieure par un couvercle (non représenté). Ainsi est réalisé, grâce à l'invention, un écoulement sans obstacle du liquide à filtrer, dirigé hélicoidalement, de façon à effectuer la filtration tangentielle de ce liquide, sans pratiquement de perte de charge susceptible d'influer de façon f 9 cheuse, sur l'énergie nécessaire à la circulation du liquide dans le module En outre, ce module est de conception telle qu'elle permet sa fabrication par moulage et en utilisa- tion, un lavage aisé du module. Cette conception modulaire permet d'ailleurs la réalisation d'appareil de filtration, tel que celui représenté, à titre d'exemple, à la Fig 2 Dans cet exemple de réalisation, l'appareil est constitué par la superposition de mêmes modules, tels que celui décrit ci-dessus et re- présenté à la Fig 1, fixés les uns aux autres par tout moyen imécanique quelconque permettant un montage et un démontage facilesdes modules, donc leur interchangeabilité, et fermé par un fond 8 et un couvercle 9. L'appareil est alimenté en liquide à filtrer par la canalisation 10 lequel circule successivement le long des éléments filtrants hélicoïdaux 1, puis la de chaque module, le couvercle 9 assurant le passage d'une hélice à l'autre, avant d'être évacué par l'orifice 11 Le filtrat issu des éléments filtrants de chaque module est évacué de chaque module par un orifice 12. Comme on l'a vu plus haut, chaque élément filtrant hélicoïdal est avanta- -5 - geusement limité à un secteur inférieur à 360 Dans la réalisation de l'appareil suivant la Fig 2, les éléments sont montés de telle sorte que les orifices 12 de sortie du filtrat se trouvent ainsi décalés entre eux, bien qu'en mime temps est assurée la continuité du trajet du liquide à filtrer sur les parois extérieures du conduit formé par les éléments hé- licoildaux, parois constituant de ce fait, une surface hélicoïdale continue. Cette disposition permet de récupérer indépendamment le filtrat issu de chaque module avec possibilité de mettre un module hors service sans affecter la bonne marche de l'appareil par simple obturation du conduit d'évacuation Ainsi, par exemple, si l'hélice est limitée à 330 , l'appa- reil constitué de 12 modules identiques formant au moins une hélice de 11 pas, comportera au moins 12 sorties de filtrat diffé rentes corres- pondant à des modules différents. La Fig 3 montre à titre d'exemple, une installation com- portant un appareil de filtration, du type de celui qui vient d'être décrit, en relation avec la Fig 2 Cet appareil, représenté schématiquement en 13 est alimenté en liquide à filtrer provenant d'un bac 14 par une pom- pe 15 prévue sur la canalisation 16 Le filtrat est recueilli en 17 L'ap- pareil 13 est relié au bac 14 par une canalisation 18, sur laquelle est disposée une vanne 19, pour le recyclage du liquide non filtré dans le bac 14 La pompe 15 assure l'alimentation de l'appareil 13 en liquide à filtrer, le recyclage du liquide restant et également le lavage de l'appa- reil au moyen du filtrat, par ouverture ou fermeture des vannes 15, 19, et 21. Dans l'exemple de réalisation représenté à la Fig 4, le liquide à filtrer contenu dans un bac 22 est, par une pompe 23 introduit dans un bac conçu, aménagé (décanteur par exemple), ou muni de moyens (cyclone par exemple), de façon à séparer les solides éventuellement présents dans le liquide, lequel est refoulé par une pompe 24, prévue sur la canalisation 25, dans l'appareil de filtration 26 suivant l'invention. De cet appareil le filtrat est amené, par une canalisation 27 à un récipient 28, en charge par rapport à l'appareil et à une hauteur suffisante, pour permettre le lavage de l'appareil par refoulement gravitaire du filtrat -6 - dans l'appareil Une canalisation 29 relie l'appareil 26 au bac intermé- diaire 30, pour le recyclage du liquide restant vers l'appareil 26. La Fig 5 montre une variante de l'installation qui vient d'être décrite Dans cette variante, une membrane souple, non poreuse, est intercalée sur le circuit, moyennant une canalisation 31, avec vanne 32, branchée sur la canalisation 25 d'amenée du liquide à filtrer à l'ap- de filtration pareil/26 Quant au récipient 28 de recueil du filtrat et l'appareil de fil- tration 26, leur position réciproque est inversée, l'appareil de filtration étant en charge par rapport au récipient 28 La membrane 33 permet, pendant la séquence de lavage, le refoulement du filtrat, de façon pério- dique et à débit pulsé, dans l'appareil de lavage. On a donné ci-après un premier exemple de traitement d'eau de mer à l'aide d'une installation suivant l'invention. On a traité une eau de mer dans une installation comportant 10 modules de filtration tangentielle suivant l'invention, ces modules de diamètre 40 cm à double hélice, étant disposés en série. Le matériau filtrant est constitué par une toile en matière plastique comportant des mailles d'ouverture de 2 u environ. L'eau de mer brute contenait 5 ppm de matières en suspen- sion et des particules fines à raison de 16 000/ml de particules> 5 p et de 50 000/ml de particules>Z /u. L'eau de mer était pompée pendant une heure avec un débit de 5 m /h et un, arrêt de 30 secondes toutes les trente minutes On a recueilli le filtrat dans un réservoir disposé à une hauteur de 3 m au- dessus de l'appareil, avec un débit de 3 m /h. A la sortie de l'appareil les matières en suspension dans l'eau traitée n'étaient pas mesurables; les particules> 5/i étaient élimi- nées à plus de 99 % ( Z/i étaient éliminées à environ 95 % (environ 2 500 ml). Après 15 jours de fonctionnement, le débit était réduit à 2, 5 m /h: un décolmatage associant un lavage avec un produit tensio- actif et un retour par gravité du filtrat sur les modules a permis de restaurer le débit initial L'eau de mer traitée a servi de fluide de réin- jection. -7- On a donné ci-après un second exemple de traitement de lait à l'aide d'une installation suivant l'invention, comportant 10 modules de filtration tangentielle de diamètre 40 cm, à double hélice, disposés en série Le matériau filtrant était constitué par un matériau micro-poreux comportant des pores de diamètre 1, 2 Pi. Le lait à traiter contenait environ 2, 3 % de protéines et 1, 9 % de graisses. L'appareil était alimenté à un débit moyen de 5 m /h avec décolmatage périodique. On a recueilli le filtrat à un débit moyen de 0, 2 m /h. Ce filtrat ne contenait pratiquement plus de graisses 50 % des protéines avaient également été retenues sur le filtre. Le traitement du lait à l'aide d'une installation suivant l Tin- vention s'avère nettement plus efficace que le traitement par centrifuga- tion. 8 2543012 REVENDICATIONS 1 Appareil de filtration comprenant au moins un module de filtra- tion tangentielle, au moins un orifice pour l'introduction du liquide à filtrer et au moins un orifice pour la sortie du filtrat, caractérisé en ce que chaque module comporte au moins un élément de filtration, consistant en un conduit ( 1) disposé hélicoldalement dans une enceinte ( 2) en forme de corps de révolution et qui, formant rampe hélicoïdale pour le liquide à filtrer, l'amène à parcourir le module suivant un trajet hélicoïdal, le filtrat s'écoulant à l'intérieur du con- duit, d'oh il est évacué à l'extérieur du module. 2 Appareil de filtration suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte ( 2) est de forme cylindrique, conique ou tronconique. 3 Appareil de filtration tangentielle suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque module comporte au moins deux éléments de filtration ( 1, la), disposés chacun dans l'enceinte suivant deux hélices concentriques, de pas-opposé. 4 Appareil de filtration suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque élément filtrant hélicoïdal est limité à un secteur inférieur à 360 '. Appareil de filtration suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de filtration hélicordaux sont rendus solidaires de l'enceinte par tout moyen quelconque convenable, tel que collage, sertissage, soudage - 6 Appareil de filtration suivant l'une quelconque'des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué par une pluralité de modules assemblés, par tout moyen quelconque convenable, de façon à être décalés en- tre eux tout en assurant la continuité du trajet hélicoldal du liquide à filtrer et en permettant une récupération séparée du filtrat issu de chaque élément. 7 Appareil de filtration suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments filtrants hélicordaux formant conduit pour le filtrat sont de section rectangulaire ou trapézoïdale. 8 Installation de filtration caractérisée en ce qu'elle comporte un appareil de filtration suivant l'une quelconque des revendications précédentes, au moins un dispositif de pompage pour l'alimentation de cet appareil en liquide à filtrer, la circulation du liquide dans l'appareil et le lavage des éléments de filtration et un réservoir recevant le filtrat de l'appareil de filtration. 9 Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le(s) dispositif(s) de pompage assure(nt) dans l'appareil de filtration un débit pulsé. Installation suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que le réservoir recevant le filtrat est en charge par rap- port à l'appareil de filtration, à une hauteur telle que le décolmatage du maté- riau filtrant puisse être effectué à contre-courant par refoulement du filtrat dans l'appareil. Il Installation suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte une membrane souple non poreuse disposée entre le dispositif de pompage et l'appareil de filtration, et reliée alternati- vement au réservoir de filtrat et au réservoir de liquide d'alimentation, de façon à réaliser-le décolmatage à contre-courant du matériau filtrant par refoulement périodique du filtrat dans l'appareil de filtration.