Brevet FR2597359A1 — publié le 19871023

- 1 ELEMENT FILTRANT PLAN A MEMBRANE FORMANT UNE CELLULE LAMELLAIRE DE FILTRATION ET FILTRE A PRESSION A FLUX TANGENTIEL COMPORTANT DES EMPILEMENTS DE TELS ELEMENTS. L'invention se rapporte à la microfiltration et à l'ultrafiltration par membranes soumises à un flux tangentiel. Le terme microfiltration s'applique habituellement à des tailles de particules de la suspension comprises entre quelques 5 centièmes de micromètres et quelques dizaines de micromètres et s'effectue par exemple sous des pressions comprises entre quelques dizaines de bars et quelques bars, tandis que l'ultrafiltration vise à séparer les grandes molécules organiques des molécules minérales ou des petites molécules 10 organiques et s'effectue par exemple sous des pressions comprises entre 2 et 15 bars. La mise en circulation du préfilt à la surface de la membrane (flux tangentiel), à des vitesses de l'ordre de quelques 15 mètres/sec, assure l'élimination permanente des solides qui tendent à se déposer sur la surface filtrante, ainsi que les apports et les renouvellements de matière. Toutefois, l'efficacité de la technique connue du flux 20 tangentiel n'est pas toujours satisfaisante lorsqu'on en envisage des applications industrielles, notamment pour la filtration de liquides à charge élevée en matières solides, même en utilisant une construction modulaire du filtre, - 2 c'est-à-dire en le réalisant par mise en série et/ou en parallèle de modules constitués chacun d'une pluralité de cellules élémentaires juxtaposées, ce qui permet d'obtenir la surface filtrante globale nécessaire à l'utilisation 5 pratique par l'assemblage des surfaces relativement petites des cellules élémentaires. Un rendement suffisant de la surface de membrane n'est en effet obtenu que si l'on réalise une homogénéité hydrodyna10 mique suffisante, c'est-àdire une bonne équirépartition à la fois des vitesses et des gradients de pression sur toute la surface. La technique connue la plus couramment utilisée en microfil15 tration industrielle à flux tangentiel fait appel à une membrane minérale tubulaire constituée d'un tube minéral rigide et poreux enduit intérieurement d'une pellicule d'adjuvant à pores ultrafins. De telles cellules élémentaires sont assemblées en faisceaux pour constituer un module. 20 Pour obtenir une surface filtrante importante pour un volume donné, on est amené à grouper un nombre important de tubes pratiquement contigus dans le faisceau, et la sortie du filtrat des tubes centraux est alors freinée par la résistance au passage, si bien qu'une contrepression s'établit à 25 l'intérieur des cellules correspondantes, ce qui détériore l'homogénéité hydrodynamique, donc le rendement de filtration. La construction de tels filtres est en outre relativement 30 onéreuse. D'autres types connus de cellules élémentaires de filtrage à membrane présentent, soit une épaisseur de la veine liquide circulant sur la membrane trop grande (d'o un gradient de 35 vitesse insuffisant), soit un trajet de chaînage du produit filtré tortueux et long, générateur de pertes de charge qui agissent en contre-pression (drainage impédant du filtrat), soit un garnissage intérieur de la membrane (toile inter- - 3 membranaire), qui induit également des pertes de charge importantes, soit enfin une fragilité mécanique. A titre d'exemple, les membranes constituées d'une âme en textile non tissé enduite ou imprégnée de polymères présentent un drainage impédant du filtrat et leur structure alvéolaire ouverte conduit au piégeage irréversible des particules, les membranes "tamis" (film en polymère auquel on fait subir un bombardement d'ions lourds) ont une épais10 seur limitée à 10 micromètres, qui en rend la mise en oeuvre difficile; enfin, les membranes d'ultrafiltration du type composite multicouches présentent une couche active à structure tortueuse dans laquelle des inclusions irréversibles de particules peuvent se produire. 15 En fonction à la fois des structures connues des modules {à fibres creuses, tubulaire, en spirale ou plane) et des types de membrane utilisés, on obtient finalement des coefficients de mérites divers, qui tiennent compte des pertes de charge 20 du filtrat ou du concentrat, de la consommation énergétique, de la possibilité de traitement de liquides chargés, de la facilité d'adaptation d'épaisseur. Un facteur important est également constitué par le "volume mort" par m2 de membrane dans le module, c'est-à- dire du volume qu'il est nécessaire 25 de mettre en mouvement pour obtenir la vitesse efficace: plus ce volume est faible, plus la performance énergétique du module sera grande. L'invention a pour objet une cellule de filtration à membra30 ne qui présente, par rapport aux cellules connues et, en particulier, à celles mentionnées ci-dessus, les avantages de présenter à la fois une faible épaisseur de la veine liquide (0,3 à 2 mm), un drainage non impédant du filtrat, l'absence d'un garnissage inter- membranaire, une tenue 35 mécanique satisfaisante et un coût de réalisation satisfaisant. - 4 Elle a encore pour objet une structure du module présentant une distribution non impédante des adductions et un faible volume mort par m2 de membrane (0,15 à 0,45). La cellule élémentaire de filtration à membrane suivant l'invention est formée par une membrane constituée par une feuille plane conformée en étui allongé ultra-plat ouvert à ses deux extrémités et est caractérisé en ce que ledit étui, sans garnissage intérieur est disposé en sandwich entre deux 10 toiles ou résilles planes formant drains de texture déterminée pour supporter la membrane sans déformation de sa planéité sous l'effet de la pression et pour lui assurer une bonne stabilité dimensionnelle sous les contraintes mécaniques, thermiques et chimiques, lesdits drains ne recouvrant 15 pas les portions terminales des deux faces de la membrane, mais étant prolongés à chaque bout par des languettes étanches et rigides d'extrémités de même épaisseur que le drain et qui recouvrent lesdites portions terminales. Le module de filtration suivant l'invention est constitué par un empilement direct de cellules élémentaires, logé à l'intérieur d'une enveloppe allongée qui possède elle-même les orifices d'extrémités nécessaires aux entrée et sortie du produit à filtrer et le ou les orifices latéraux de 25 sortie du filtrat, caractérisé en ce que lesdites cellules sont assemblées entre elles par fixation des languettes d'extrémités sur les membranes, ledit empilement étant pris en sandwich par deux flancs rigides et l'ensemble étant solidarisé à deux brides d'extrémités respectivement munies 30 d'une fenêtre d'entrée et d'une fenêtre de sortie du produit à filtrer par les extrémités respectives desdits étuis et monté à l'intérieur de ladite enveloppe contre laquelle les deux brides sont appliquées de manière étanche. Selon un mode d'exécution préféré, lesdits flancs sont euxmêmes reliés mécaniquement à la paroi intérieure de ladite enveloppe pour renforcer la rigidité dudit empilement. - 5 D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 illustre la réalisation de l'étui constitué par la membrane; La figure 2 représente un drain, muni de ses deux languettes d'extrémités; La figure 3 montre l'empilement de plusieurs étuis avec les drains intercalaires et les languettes 15 d'extrémités qui les prolongent; et La figure 4 est une vue en perspective d'un module complet monté dans une enveloppe. La figure 1 montre que la membrane 1, sous forme d'une feuille plane en copolymère ou en métal d'épaisseur comprise entre quelques micromètres et quelques centaines de micromètres, est découpée au format nécessaire, puis enroulée autour d'une "plaque de service" P dont les dimensions sont 25 telles qu'elles déterminent la future géométrie de la veine fluide. Après recouvrement des deux bords de la membrane, ceux-ci sont solidarisés pour former un étui plat ayant par exemple une épaisseur de 200 micromètres à 2 millimètres et deux faces ayant chacune une surface allant de quelques 30 dizaines à quelques milliers de cm2. La figure 2 représente un drain plan 2 constitué d'une toile, résille, ou autre, dont la texture est telle qu'elle assure le meilleur compromis pour satisfaire aux fonctions 35 suivantes: - 6 - support de la membrane: pas de déformation de la planéité de la membrane sous l'effet de la pression, pas d'altération de son intégrité, - compacité: faible épaisseur 0,2 à 2 mm, par exemple, - faible perte de charge à l'écoulement transversal du filtrat, - stabilité dimensionnelle sous les différentes contraintes mécanique, thermique et chimique. Les matériaux constitutifs du drain peuvent être: des polymères et copolymères plastiques, du verre, des métaux, du carbone ou tous autres matériaux appropriés. Les languettes d'extrémités 3 et 4 remplissent les fonctions 15 suivantes: - obturer le drain dans son épaisseur, afin d'empêcher la pénétration de celui-ci par le fluide à traiter, - éviter le mélange des deux circuits, par solidarisation 20 avec la membrane et, de préférence, avec les brides d'extrémités, - définir la géométrie des orifices d'adduction et d'extraction du fluide traité, grâce à sa rigidité et son ancrage dans les brides d'extrémités. Les matériaux constitutifs de ces languettes peuvent être les mêmes que ceux du drain et son épaisseur est identique. Les drains associés, aux languettes d'extrémités, et les 30 membranes encore munies de leurs plaques de service, sont assemblés par empilement; lors de cette opération les membranes (figure 3) sont solidarisées avec les languettes sur toute la surface de ces dernières. L'empilement membranes-drains-languettes, tenu sur ses deux flancs par deux plaques 5-6 (figure 4) est ensuite solidarisé avec deux brides d'extrémités 7-8 et les plaques de service sont enlevées des membranes. Le module ainsi consti- tué est introduit dans une enveloppe tubulaire 9 munie à ses extrémités des orifices nécessaires à l'entrée 10 et à la sortie du produit à filtrer et, latéralement, d'orifices 11 de sortie du filtrat. Les plaques 5 et 6 sont dimensionnées pour résister à la différence de pression imposée entre le liquide à filtrer et le filtrat. Des pions cylindriques 51, solidaires de ces plaques, prennent appui sur la paroi interne de l'enveloppe 10 et renforcent ainsi la rigidité de l'ensemble. Les brides circulaires 7 et 8 sont munies de joints qui assurent l'étanchéité entre les deux circuits du produit à filtrer et du filtrat, et de fenêtres 71 recouvrant toute la 15 surface terminale de l'empilement, pour l'entrée et la sortie du produit à filtrer par les canaux lamellaires formés par les étuis. La surface d'échange constituée par chacun de ces canaux est 20 suffisamment faible pour que l'équirépartition des vitesses du flux tangentiel du produit à filtrer et des différences de pressions aux différents points de cette surface soit assurée. On notera que les pertes de charge à l'entrée et à la sortie du produit à filtrer sont très faibles, l'adduction et l'extraction étant directes, et que le volume mort par unité de surface de la membrane est particulièrement réduit. Il va de soi que diverses modifications pourront être apportées à l'exemple décrit, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. - 8 Revendications 1. Elément filtrant à membrane constituée par une feuille plane (1) conformée en étui allongé ultra-plat ouvert à ses deux extrémités, caractérisé en ce que ledit étui, sans garnissage intérieur, 5 est disposé en sandwich entre deux toiles ou résilles planes formant drains (2), de texture déterminée pour supporter la membrane sans déformation de sa planéité sous l'effet de la pression et pour lui assurer une bonne stabilité dimensionnelle sous les contraintes mécaniques, thermiques et chimi10 ques, lesdits drains ne recouvrant pas les portions terminales des deux faces de la membrane, mais étant prolongés à chaque bout par des languettes étanches et rigides d'extrémités (3-4) de même épaisseur que le drain et qui recouvrent lesdites portions terminales. 2. Module de filtration, constitué par un empilement direct de cellules élémentaires conformes à la revendication 1, logé à l'intérieur d'une enveloppe allongée (9) qui possède elle-même les orifices d'extrémités nécessaires aux 20 entrée (10) et sortie du produit à filtrer et le ou les orifices latéraux (11) de sortie du filtrat, caractérisé en ce que lesdites cellules sont assemblées entre elles par fixation des languettes d'extrémités sur les membranes, ledit empilement étant pris en sandwich par deux 25 flancs rigides (5-6) et l'ensemble étant solidarisé à deux brides d'extrémités (7-8) respectivement munies d'une fenêtre d'entrée (71) et d'une fenêtre de sortie du produit à filtrer par les extrémités respectives desdits étuis et monté à l'intérieur de ladite enveloppe contre laquelle les 30 deux brides sont appliquées de manière étanche. 3. Module de filtration selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits flancs sont eux-mêmes reliés mécaniquement (pions 51) à la paroi intérieure de ladite 35 enveloppe pour renforcer la rigidité dudit empilement.