Brevet FR2553758A1 — publié le 19850426

La présente invention concerne un matériau poreux formé de particules minérales frittées, ainsi qu'un filtre tubulaire constitué en ce matériau, convenant notamment pour la filtration des liquides et des gaz. On a déjà proposé des milieux filtrants de ce genre, mais ils manifestent généralement une efficacité relativement faible, car, s'ils présentent une perméabilité élevée aux fluides, ils ne peuvent résister à la perte de charge relativement élevée qui serait nécessaire pour 10 procurer un débit important par unité de surface filtrante, ou pour permettre la récupération du matériau solide rassemblé sur la surface filtrante, en exerçant une pression dans le sens opposé à celui de l'écoulement du fluide en cours de filtration Ils ne peuvent non plus résister de façon satisfaisante aux contraintes mécaniques ou thermomé15 caniques élevées qui apparaissent souvent pendant leur montage et leur fonctionnement S'ils sont fabriqués en un épaisseur suffisante pour résister à des contraintes mécaniques élevées, ceci implique une faible perméabilité, donc une faible efficacité. Un but de la présente invention est donc de procurer un matériau 20 poreux présentant à la fois une perméabilité élevée et une résistance él rée aux contraintes mécaniques et thermomécaniques, utilisable dans la fabrication de filtres mécaniquement résistants et d'efficacité élevée. Le matériau poreux selon l'invention est caractérisé en ce qu'il 25 présente une porosité ouverte de 30 à 40 % en volume et une résistance à l'écrasement, mesurée dans des conditions de compression isostatique, de 4 10 à 5 10 N/m 2. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes: 7 2 Sa résistance à la flexion est comprise entre 2,5 et 3,5 10 N/m. Le diamètre moyen de ses pores est compris entre 2 et 20 microns. Il présente une perméabilité à l'eau à 200 C allant de 0,6 à 60 m 3/h m 2. bar pour une épaisseur de paroi de 1 cm lorsque le diamètre moyen de pore passe de 2 à 20 microns. Il est composé d'un mélange d'oxydes métalliques comprenant plus de 20 % en poids d'alumine. Il est constitué d'alumine de pureté au moins égale à 99,9 % en poids. Le filtre tubulaire selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une couche épaisse poreuse formant couche-support en un maté5 riau tel que défini précédemment, ainsi qu'au moins une couche filtrant mince poreuse formée formée de particules minérales frittées entre elles et avec les surfaces interne ou externe de la couche support, les pores de la couche filtrante étant de diamètre inférieur à 10 microns et plus fins que ceux de la couche-support, l'épaisseur radiale de chaque couche 10 filtrante ne dépassant pas quelques dizaines de microns. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques cidessous: Le diamètre moyen de pore de la couche présentant les pores les plus fins est d'environ 0,2 micron. La couche support comprend au moins deux sous-couches de diamètres de pores différents, réunies par frittage, la sous-couche présentant les pores les plus fins étant disposée entre la ou les couches filtrantes et l'autre sous-couche. Le rapport de son diamètre externe à son épaisseur radiale est compris 20 entre 4 et 20. Sa résistance à la pression interne passe de 30 bars à 240 bars lorsque le rapport du diamètre externe à l'épaisseur radiale passe de 20 à 4. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple, la préparation et les principales propriétés physiques et mécaniques de filtres tubulaires 25 selon l'invention. EXEMPLE 1 On prépare une pâte constituée d'un mélange de: % d'alumine électrofondue d'une dimension moyenne de grains de 29 30 microns, % d'alumine électrofondue d'une dimension moyenne de grains de 17 microns, % d'alumine ayant une dimension moyenne de grains de 2,5 microns, 9 % de vaseline technique, 16 % d'un gel aqueux, constitué de 1,5 % de méthyl-hydroxypropyl cellulose et 14,5 % d'eau. Ces quantités sont exprimées en pourcentage pondéral par rapport à l'alumine sèche. La pâte ainsi préparée est extrudée sous une pression de 120 bars sous forme de tubes d'un diamètre de 20 mm et d'une épaisseur de 2 mm. On sèche ensuite les tubes de façon à éliminer les liants organiques et on les cuit en atmosphère réductrice à 1800 C On obtient des tubes poreux ayant les caractéristiques suivantes: diamètre extérieur: 19 mm épaisseur: 2 mm porosité: environ 35 vol % diamètre de pores moyen: 12 microns perméabilité à l'air à 20 C, 1 atm: 10 000 Nm 3/hr m 2 bar perméabilité à l'eau mesurée à 20 C: 120 m 3/h m 2 bar résistance à la compression isostatique: 450 106 N/m 2 15 résistance à la flexion: 30 106 N/m 2 résistance à la pression interne: 70 bars = 7 106 N/m 2 La résistance à l'écrasement des tubes est mesurée comme suit On enveloppe dans une membrane souple étanche les surfaces intérieure et extérieure du tube On soumet l'ensemble à une compression isostatique 20 dans un liquide La résistance à la compression isostatique est la pression isostatique maximale que le tube peut supporter sans être endommagé en aucun point. La résistance à la flexion se mesure par la méthode connue de mise en flexion au moyen de 4 points d'appui Les équations connues de calcul 25 des poutres permettent de calculer la contrainte pour laquelle se produit la rupture du tube. La résistance à la pression interne (ou à l'éclatement) se mesure en introduisant dans le tube une membrane souple étanche tubulaire On introduit dans cette membrane un liquide sous pression, dont on augmente 30 la pression jusqu'à éclatement du tube. EXEMPLE 2 On prépare une couche-support tubulaire comme indiqué dans l'exemple 1 Pour déposer sur la surface intérieure de ce tube une couche 35 filtrante d'un diamètre moyen de pores de 1,2 micron, on procède comme suit: On prépare une barbotine ayant la composition suivante: alumine d'un diamètre moyen de grains 2,5 microns (mesuré après broyage de la barbotine): 8 % en masse. eau additionnée de polyéthylène glycol(Carbowax 4000 C de UNION CARBIDE) jusqu'à obtenir une viscosité de 5 poises: 91,8 % tensioactif "DARVAN C" de la firme POLYPLASTIC: 0,2 % On soumet cette barbotine à un broyage de 24 heures dans un broyeur à billes d'une contenance de 25 litres chargé de: kg de billes d'alumine d'un diamètre de 10 mm, 10 7 litres de barbotine, cette opération ayant pour but essentiel de rompre les agglomérats de grains et de bien disperser les particules. On remplit de cette barbotine le tube préparé précédemment, puis on le vide par gravité Il reste sur la surface intérieure du tube un 15 film de barbotine qu'on sèche et qu'on soumet à une cuisson oxydante à 1550 C, ce qui forme une couche d'épaisseur 20 à 30 microns ayant un diamètre moyen de pores de 1,2 micron. Le tube filtre ainsi obtenu possède les caractéristiques suivantes: diamètre extérieur: 19 mm, épaisseur: 2 mm, porosité de la couchesupport: 35 %, diamètre moyen des pores de la couche-support: 12 microns, épaisseur de la couche filtrante: environ 20 microns, diamètre moyen des pores de la couche filtrante: 1,2 micron, porosité de la couche filtrante: environ 30 %, perméabilité à l'air mesurée à 20 C, 1 atm: 4500 Nm 3/h m 2 bar, 3 2 perméabilité à l'eau mesurée à 20 C: 40 m 3/h m 2 bar, résistance à la compression isostatique: 450 106 N/m 2 6 2 résistance à la flexion: 30 10 N/m 2, résistance à la pression interne: 70 bars = 7 106 N/m 2. EXEMPLE 3 On prépare une couche-support tubulaire comme indiqué dans l'exem35 ple numéro 1 Pour déposer sur la surface intérieure de ce tube une -5 couche filtrante double comprenant une première couche en alumine d'un diamètre moyen de pores de 1,2 micron puis une deuxième couche en dioxyde de titane d'un diamètre moyen de pores de 0,2 micron, on procède comme suit: on dépose la première couche filtrante comme indiqué dans l'exemple 2; on dépose ensuite la deuxième couche filtrante par la même méthode, mais en utilisant une barbotine de composition suivante dioxyde de titane (sous forme rutile) d'un diamètre moyen de parti10 cules de 0,2 micron: 5 % en masse, eau additionnée de polyéthylène glycol (Carbowax 4000 C de UNION CARBIDE) jusqu'à obtenir une viscosité de 5 poises: 94,8 % tensioactif "DARVAN C" de la firme Polyplastic: 0,2 %; et en limitant la température de cuisson à 1000 C. Le tube-filtre ainsi obtenu possède les caractéristiques suivantes: diamètre extérieur: 19 mm, épaisseur: 2 mm, porosité de la couchesupport: 35 %, diamètre moyen des pores de la couche-support: 12 microns, épaisseursdes couches filtrantes: 1 ère couche: environ 20 microns,: 2 ème couche: environ 10 microns, diamètre moyen des pores de la couche filtrante la plus fine: 0,2 micron, porosité des deux couches filtrantes: environ 30 %, -perméabilité à l'air mesurée à 200 C, 1 atm: 1000 Nm 3/h m 2 bar, perméabilité à l'eau mesurée à 20 C: 3 m 3/h m 2 bar, résistance à la compression isostatique: 450 10 N/m 2, 6 2 6 résistance à la flexion: 30 106 N/m 2, résistance à la pression interne: 70 bars = 7 106 N/m 2 EXEMPLE 4 On réalise un tube filtre comportant une couche-support identique à celle de l'exemple 3 et deux couches filtrantes identiques à celles de l'exemple 3, mais disposées sur la surface extérieure du tube-support. Pour ecela, on procèsde comme dans l'exemple 3 la diffrence/ la 35 Pour cela, on procède comme dans l'exemple 3, à la différence/que la dépose des couches filtrantes s'opère par immersion du tube dans la barbotine, puis égouttage. On otbient un tube-filtre ayant les mêmes caractéristiques que le tubefiltre de l'exemple 3, sauf en ce qui concerne: la position des couches filtrantes, qui sont situées sur la surface extérieure du tube-filtre, les perméabilités à l'air et à l'eau, qui sont augmentées dans un rapport voisin de 1,25 (rapport entre les diamètres et par suite les aires des couches filtrantes). 10 EXEMPLE 5 On réalise un tube filtre analogue à celui de l'exemple 2, sauf en ce qui concerne la couche-support qui est formée de deux sous-couches de diamètres moyens de pores différents. Pour cela on prépare deux pâtes céramiques: la première pâte est identique à celle de l'exemple 1, la deuxième pâte n'en diffère que par la granulométrie des différentes fractions d'alumine qui la constituent: % d'alumine électrofondue d'une dimension moyenne de grains de 23 20 microns, % d'alumine électrofondue d'une dimension moyenne de grains de 13 microns, % d'alumine calcinée d'une dimension moyenne de grains de 2,5 microns. Les pâtes ainsi préparées sont coextrudées coaxialement de manière à former un tube d'un diamètre de 20 mm et d'une épaisseur de 2 mm, formé d'une couche extérieure de la première pâte et d'une couche intérieure de la deuxième pâte, ces couches ayant approximativement la même épaisseur. Apres séchage et cuisson comme dans l'exemple 1, et dépose d'une 30 couche filtrante comme dans l'exemple 2, on obtient un tube-filtre qui possède les caractéristiques suivantes: diamètre extérieur: 19 mm, épaisseur: 2 mm, diamètre moyen des pores de la couche support : 1 ère sous-couche: 12 microns, : 2 ème sous-couche: 9 microns, porosité de la couche-support: 1 ère sous couche: 35 %, : 2 ème sous-couche: 32 %, épaisseur de la couche filtrante: environ 20 microns, diamètre moyen des pores de la couche filtrante: 1,2 micron, porosité de la couche filtrante: environ 30 %, perméabilité à l'air mesurée à 20 C, 1 atm: 4000 Nm 3/h m 2 'bar, perméabilité à l'eau mesurée à 20 C: 37 m 3/h m 2 bar, résistance à la compression isostatique: 450 106 N/m 2, résistance à la pression interne: 80 bars = 8 106 N/m 2. La résistance à la pression interne est plus élevée que dans les 15 exemples 1 à 4 car c'est la couche intérieure du support qui supporte la pression la plus élevée et le matériau de cette couche intérieure est ici plus résistant que celui de la couche extérieure. REVENDICATIONS 1/ Matériau poreux formé de particules minérales frittées, caractérisé en ce qu'il présente une porosité ouverte de 30 à 40 % en volume et une résistance à l'écrasement, mesurée dans des conditions de compression isostatique, de 4 108 à 5 108 N/m 2. 2/ Matériau poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa résistance à la flexion est comprise entre 2,5 et 3,5 107 N/m 2. 3/ Matériau poreux selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le diamètre moyen de ses pores est compris entre 2 et 20 microns. 4/ Matériau poreux selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il présente une perméabilité à l'eau à 200 C allant de 0,6 à 60 m 3/h m 2 bar pour une épaisseur de paroi de 1 cm lorsque le diamètre moyen de pore passe de 2 à 20 microns. / Matériau poreux selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en 15 ce qu'il est composé d'un mélange d'oxydes métalliques comprenant plus de 20 % en poids d'alumine. 6/ Matériau poreux selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est constitué d'alumine de pureté au moins égale à 99,9 % en poids. 7/ Filtre tubulaire, caractérisé en ce qu'il comprend une couche épaisse poreuse formant couche support en un matériau selon l'une des revendications 1 à 6, et au moins une couche filtrante mince poreuse formée de particules minérales frittées entre elles et avec les surfaces interne ou externe de la couche support, les pores de la couche filtrante étant 25 de diamètre inférieur à 10 microns et plus fins que ceux de la couche support, l'épaisseur radiale de chaque couche filtrante ne dépassant pas quelques dizaines de microns. 8/ Filtre tubulaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que le diamètre moyen de pore de la couche présentant les pores les plus fins 30 est d'environ 0,2 micron. 9/ Filtre tubulaire selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ee que la couche support comprend au moins deux sous-couches de diamètres de pores différents, réunies par frittage, la sous-couche présentant les pores les plus fins étant disposée entre la ou les couches 35 filtrantes et l'autre sous-couche. / Filtre tubulaire selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le rapport de son diamètre externe à son épaisseur radiale est compris entre 4 et 20. 11/ Filtre tubulaire selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé 5 en ce que sa résistance à la pression interne passe de 30 bars à 240 bars lorsque le rapport du diamètre externe à I'épaisseur radiale passe de 20 à 4.