Brevet FR2635468A1 — publié le 19900223

La présente invention concerne un appareil de séparation d'au moins deux éléments contenus dans un fluide liquide ou gazeux à l'aide d'un matériau filtrant ou absorbant comprenant: - une chambre de séparation délimitée par une paroi latérale cylindrique et deux faces d'extrémité opposées, un conduit d'alimentation et un conduit d'évacuation débouchant dans ladite chambre de séparation respectivement au voisinage de l'une desdites faces d'extrémité, ladite chambre de séparation étant destinée à contenir un matériau filtrant ou absorbant à travers lequel circule le fluide à traiter introduit dans ladite chambre de séparation par ledit conduit d'alimentation et évacué après traitement par ledit conduit d'évacuation. De tels appareils existent dans le marché, et ils utilisent des matériaux filtrants ou absorbants divers en nature, textiles, papiers, résines, films ou particules filtrantes, et divers en propriétés, filtration physique, ou par échange d'ions. Les appareils existant ont une chambre de séparation ayant un volume constant et des dimensions invariables et le matériau filtrant est soumis dans ces appareils à une pression ou taux de compression également invariable. En général, ces appareils fonctionnent dans un milieu ayant une température ambiante sensiblement constante, et dans l'emploi habituel de ces appareils dans l'industrie, le matériau filtrant ou absorbant est toujours le même ou du moins est rarement changé. Lorsque l'on veut utiliser ces appareils pour faire des essais comparatifs ou des contrôles de qualité des matériaux filtrants ou absorbants existant dans le commerce ou fabriqués dans une usine de production de matériaux filtrants ou absorbants, des difficultés surgissent, car l'utilisateur est obligé de choisir un appareil de séparation acceptant une épaisseur de matériau filtrant ou absorbant, une pression et une température correspondant aux matériaux filtrants ou absorbants à contrôler et les essais ' comparatifs nécessitent plusieurs appareils, dont les coûts d'achat d'installation et d'entretien sont élevés sans parler de l'encombrement de ces appareils dont certains sont peu utilisés. Le but de la présente invention est de proposer un appareil du type mentionné qui remédie aux inconvénients cités, qui permet d'employer, sans modification de sa structure, un grand nombre de matériaux filtrants ou absorbants, quelles que soient leurs natures et leurs propriétés, qui soit facile à réaliser et qui soit bon marché à l'achat et en entretien. Le but est réalisé selon l'invention par le fait que, dans l'appareil proposé, l'une des faces d'extrémité est ajustable par rapport à l'autre face d'extrémité dans ladite paroi cylindrique, de manière à pouvoir adapter le volume de la chambre de séparation à l'épaisseur de la couche de matériau filtrant ou absorbant disposé dans ladite chambre de compression et la pression à exercer par les faces d'extrémité sur ledit matériau. Grâce à cette structure, la géométrie de la chambre peut être adaptée au matériau filtrant ou absorbant utilisé, et l'appareil permet de travailler sur une faible épaisseur de matériau filtrant ou sur une grande épaisseur, depuis l'épaisseur d'un film ou d'une feuille de papier jusqu'à une épaisseur maximum fonction de la taille donnée à l'appareil. L'appareil permet également de contrôler le comportement d'un matériau filtrant dans les conditions de compression normale d'emploi dudit matériau ou de mesurer le comportement dudit matériau dans différentes conditions de compression pour en définir les meilleurs paramètres d'emploi. En particulier, il peut recevoir tous types de matériaux filtrants ou absorbants. Les hauteurs de lit sont ajustables et peuvent varier dans de grandes proportions. Il est possible par exemple d'avoir des lits superposés de matériaux différents en disposant d'un nombre de plateaux suffisants pour avoir une bonne approche des phénomènes. L'homogénéité du lit peut être assurée par un compactage initial des matériaux à l'aide de la pression exercée par les faces d'extrémité de la chambre de séparation. La compacité des matériaux peut être réglée ou variée rapidement en modifiant la position de le face d'extrémité ajustable. Le fait de pouvoir faire varier la densité d'un matériau compressible tel qu'un matelas fibreux ou poreux, est un paramètre essentiel de la filtration en 'profondeurw: le seuil de coupure ou pouvoir d'arrêt variant avec la densité du matériau, il est possible de définir le comportement global d'un média en fonction du débit et de la perte de charge du fluide. La compacité du matériau peut être fixée à une valeur donnée dans la phase de séparation du fluide et à une autre valeur dans la phase de détassement des résines ou de décolmatage des filtres. L'appareil est particulièrement bien adapté, au niveau expérimental, pour comparer les caractéristiques de différents médias entre eux en faisant varier les contraintes, pour prédéterminer les conditions optimales d'utilisation d'un matériau absorbant et plus encore un échangeur d'ions en fonction de sa cinétique d'échange et ce, pour un taux d'épuration souhaité, en vue d'un dimensionnnement d'installation, et pour étudier les couplages entre différentes techniques séparatives. Selon une particularité de l'invention, l'appareil comporte, d'une part, une cavité de répartition du fluide à traiter située à l'extrémité d'entrée dans laquelle débouche ledit conduit d'alimentation, ladite cavité de répartition communiquant avec ladite chambre de séparation par un premier tamis rigide formant l'une desdites faces d'extrémité, et d'autre part, une cavité de collecte du fluide après traitement située à l'extrémité de sortie dans laquelle débouche ledit conduit d'évacuation, ladite cavité de collecte communiquant avec ladite chambre de séparation par un deuxième tamis rigide formant l'autre desdites faces d'extrémité. Grâce à cette structure, le fluide à traiter circule de façon uniforme dans toute le largeur de la couche de matériau filtrant ou absorbant et il ne se produit pas d'effet de cheminée entre le point d'entrée du fluide à traiter dans la chambre de séparation et le point de sortie du fluide après traitement. Selon une autre particularité de l'invention, l'appareil comporte un cylindre de piston formant ladite paroi latérale cylindrique, reposant sur une paroi de fond et obturé de façon étanche par une -paroi de couvercle, une plaque de support sur laquelle est fixée ladite paroi de fond, une plaque de couvercle fixée au-dessus de ladite paroi de couvercle et formant avec celle-ci un couvercle obturateur, un cylindre de protection concentrique avec ledit cylindre de piston disposé autour dudit cylindre de piston et entre ladite plaque de support et ladite plaque de couvercle de manière à ménager une chambre annulaire étanche autour dudit cylindre de piston, des tirants de fixation disposés dans ladite chambre annulaire et reliant ladite plaque de support à ladite plaque de couvercle, et un piston coulissant dans ledit cylindre de piston et muni d'une tige de guidage traversant ledit couvercle obturateur. Ladite chambre de séparation est située entre la face inférieure dudit piston et ladite paroi de fond, et la face supérieure de ladite paroi de couvercle est située au-dessus de l'extrémité supérieure dudit cylindre de piston. Grâce à cette structure, la paroi latérale cylindrique de la chambre de séparation pouvant se dilater librement dans le sens longitudinal n'est pas soumis à des contraintes longitudinales. L'espace délimité par ladite paroi de couvercle et la face supérieure dudit piston est étanche et est relié i une source de fluide sous pression à l'aide d'un orifice ménagé dans ledit couvercle obturateur. Ladite tige de guidage est creuse et délimite ledit conduit d'alimentation. Il est ainsi possible de modifier de façon simple le taux de compression du matériau filtrant ou absorbant. Ledit piston comprend un bloc cylindrique ayant une face d'extrémité annulaire, et comprend un premier tamis rigide fixé à ladite face d'extrémité annulaire. La cavité de répartition ayant une forme de préférence conique est ménagée dans ledit bloc cylindrique au-dessus dudit premier tamis rigide à partir de ladite face d'extrémité annulaire, et le conduit d'alimentation débouche dans la partie supérieure de ladite cavité de répartition. OS Un contre-piston ayant une face d'extrémité supérieure annulaire est disposé dans ledit cylindre de piston au-dessus de ladite paroi de fond. Un deuxième tamis rigide est fixé à ladite face d'extrémité annulaire. Une cavité de collecte ayant une forme conique est ménagée dans ledit contre-piston à partir de ladite face d'extrémité annulaire. Le conduit d'évacuation débouche dans la partie inférieure de ladite cavité de collecte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réaliation de l'appareil donné ci-après à titre illustratif et en référence au dessin annexé dans lequel: la figure unique représente un appareil selon l'invention vu en coupe verticale. Comme on le voit sur le dessin, l'appareil de séparation 1 comprend un cylindre de piston 2 disposé à la verticale reposant par son extrémité inférieure 3 sur une paroi de fond 4 s'étendant à l'extérieur du cylindre de piston 2 et emmanchée dans la partie inférieure 5 d'un cylindre de protection 6 creux disposé coaxialement autour du cylindre de piston 2. La paroi de fond 4 et l'extrémité inférieure 5 du cylindre de protection 6 reposent sur une plaque 7 disposée à l'horizontale et servant de support à l'appareil. Sous la plaque de support 7, sont fixés des pieds 8, au nombre de trois sur le dessin destines à maintenir l'appareil 1 sur une table non représentée. L'extrémité supérieure 10 du cylindre de piston 2 est obturée par une paroi de couvercle 11, ayant la forme d'un disque circulaire d'un diamètre voisin du diamètre intérieur du cylindre de piston 2 et munie sur son pourtour 12 d'une gorge 13 destinée à recevoir un joint torique 14 assurant l'étanchéité. L'extrémité supérieure 15a du cylindre de protection 6 est également obturée par une plaque de couvercle 15 disposée au- dessus du cylindre de protection 6. La hauteur du cylindre de protection 6 est supérieure à la hauteur du cylindre de piston 2 de telle manière que la face inférieure 16 de la plaque de couvercle soit jointive avec la face supérieure 17 de la paroi de couvercle 11 et que l'extrémité supérieure 10 du cylindre de piston 2 soit écartée de la face inférieure 16 de la plaque de couvercle d'une distance d. La plaque de couvercle 15 et la paroi de couvercle 11l sont de préférence assemblées l'une à l'autre par leurs faces adjacentes 16 et 17, de manière à constituer un couvercle d'obturation 17a du cylindre de piston 2 et du cylindre de protection 6. De la même manière, la paroi de fond 4 est assemblée sur la plaque de support 7, et un joint torique 18 est également disposé entre l'extrémité inférieure 5 du cylindre de protection 6 et la paroi de fond 4. Dans l'espace annulaire 20 situé entre le cylindre de piston 2 et le cylindre de protection 6 sont disposés un certain nombre de tirants de fixation 21 disposées à la verticale et traversant, d'une part, l'ensemble 22 constitué par la plaque de fond 4 et la plaque de support 7 par un alésage 23 ménagé dans cet ensemble 22 et, d'autre part, la plaque de couvercle 15 par un alésage 24 prévu dans la plaque de couvercle 15. Chaque tirant de fixation 2 est fixé à l'ensemble 22 par un écrou 25 et un contre-écrou 26, et un écrou d'extrémité 27 disposée au-dessus de la plaque de couvercle 15 assure la fermeture du cylindre de piston 2 et du cylindre de protection 6, de telle manière que la chambre annulaire 20 soit étanche. Le cylindre de protection 6 a plusieurs fonctions. Il joue d'abord son rôle de protecteur en cas de bris du cylindre de piston 2. Il sert également à maintenir l'écartement entre la plaque de support 7 et la plaque de couvercle 15 de manière à assurer le maintien de la distance d entre l'extrémité supérieure du cylindre de piston 2 et la face inférieure 16 de la plaque de couvercle 15. Dans le cylindre de piston 2, peut coulisser un piston 30 muni d'une tige de guidage 31 traversant le couvercle obturateur 17a par un alésage vertical 32. Le piston.31 comporte un bloc cylindrique 33 dont la face supérieure 34 est plane et dont la face inférieure 35 a la forme d'une cloche ou une forme conique, et un premier tamis rigide 36 ou grille fixé à la face d'extrémité inférieure annulaire 37 du bloc cylindrique 33. Une cavité de répartition 35a est ainsi ménagée entre le premier tamis 36 et la face inférieure 35. La tige de guidage 31 est creuse et possède un conduit d'alimentation longitudinal 38 débouchant dans la partie supérieure 39 de la cavité de répartition 35a. Une gorge destinée à recevoir un joint d'étanchéité 41 est ménagée dans la paroi latérale 42 du piston 30. Un joint d'étanchéité 43 est prévu dans l'alésage 32. Un contre-piston 45 dont la face supérieure 46 a la forme d'une cuvette conique est disposé dans le cylindre de piston 2 au-dessus de la paroi de fond 4. Le contre-piston 45 est collé par sa face inférieure 47 à la paroi de fond 4. Un deuxième tamis rigide ou grille 48 est fixé à la face d'extrémité annulaire supérieure 49 du contre-piston 45 et un joint d'étanchéité 50 est prévu entre la face latérale 51 du contre-piston 45 et le cylindre de piston 2. Une cavité de collecte 46a est ainsi ménagée entre le deuxième tamis 48 et la face supérieure 46 du contre-piston 45. Un alésage vertical 52 traverse de part en part le contre-piston 45 et l'ensemble 22 et dans cet alésage 52 passe un tube d'évacuation 53 débouchant dans la partie inférieure 54 de la cavité de collecte 46a. De façon préférentielle, mais ce n'est pas obligatoire, le contre-piston 46 avec le tube d'évacuation 53, et le deuxième tamis rigide 48 a une configuration identique au piston 30 muni de sa tige de guidage 31. Les tamis rigides 36 et 48 constituent les extrémités opposées d'une chambre de séparation 60 destinée à loger un matériau filtrant ou absorbant non représenté. Le fluide à traiter est introduit dans la chambre 60 par le conduit d'alimentation 38 et se répartit uniformément sur le premier tamis rigide 36 grâce à la forme en cloche de la face inférieure 35 du bloc cylindrique 33. Le fluide épuré s'écoulant par le tamis rigide 48 est collecté par le tube d'évacuation 53 au fond 54 de la cuvette 46. Le fluide à traiter peut naturellemlent circuler en sens inverse du tube 53 vers le conduit 38. La face supérieure 34 du piston 30 et la paroi de couvercle Il délimitent une deuxième chambre 61 qui communique avec une source de fluide sous pression non représentée par un orifice 62 ménagée dans le couvercle obturateur 17a, un deuxième orifice non représenté destiné à faire communiquer la deuxième chambre 61 avec un manomètre et/ou une soupape de sécurité peut également être ménagé dans le bouchon obturateur 17a. L'espace annulaire 20 situé entre le cylindre de piston 2 et le cylindre de protection 6 communique avec une source de fluide non représentée à l'aide d'un orifice 64 ménagé dans la plaque de couvercle 15 et un orifice 65 ménagé dans l'ensemble 22 comprenant la paroi de fond 4 et la plaque de support 7. Des raccords 66 en forme de tube sont sertis dans les orifices 62, 65 et 66. Dans l'espace annulaire 20, on peut ainsi faire circuler un fluide, par exemple de l'eau, à une température donnée, de telle manière que l'appareil en fonctionnement soit thermostaté. Par l'orifice 62, on peut introduire de l'air sous pression de manière à actionner le piston 30 vers le bas et à comprimer le matériau filtrant ou absorbant contenu dans la chambre 60. Les tamis rigides ou grilles 36 et 48 possèdent une pluralité d'orifices verticaux par lesquels circule le fluide à traiter. Les tamis rigides 36 et 48 sont fabriqués dans un matériau résistant à la corrosion. Les tamis rigides 36 et 48 sont fixés respectivement aux faces d'extrémité annulaires 37 et 49 du bloc cylindrique 33 et du contre-piston 45 ou sont plaqués contre ces faces d'extrémité annulaires lors de l'utilisation de l'appareil 1, grâce au matériau filtrant ou absorbant contenu dans la chambre entre les deux tamis rigides 36 et 48, par déplacement vertical vers le bas de la tige de guidage 31 selon la flèche F ou par l'action de la source de pression qui exerce une pression P sur la face supérieure 34 du piston 30. Le piston 30 coulissant dans le cylindre de piston 2 constitue les moyens permettant de modifier la distance séparant les faces d'extrémité 36 et 48 de la chambre de séparation 60. La face supérieure 34 du piston 30, la deuxième chambre 61 et l'orifice 62, associés à la source de fluide sous pression constituent les moyens permettant de modifier le taux de compression du matériau filtrant ou absorbant. La circulation du fluide à traiter dans la chambre 60 peut se faire dans le sens de bas en haut ou de haut en bas, soit par gravimétrie, soit par l'action d'une pompe refoulante installée dans le conduit d'alimentation, soit par l'action d'une pompe aspirante installée dans le conduit d'évacuation. Le remplacement du matériau filtrant ou absorbant contenu dans la chambre de séparation 60 se fait de la façon que l'on va décrire. Pour remplacer le matériau filtrant ou absorbant, la chambre 61 est mise en liaison avec l'air extérieur, on enlève les écrous d'extrémités 27, on obture le conduit d'alimentation 38 et on met en communication le tube d'évacuation 53 avec une source de fluide sous pression, de l'eau par exemple. La pression exercée dans la chambre 60 entraîne le piston 30 vers le haut, et lorsque la face supérieure 34 du piston 30 est en contact avec le couvercle obturateur 17a, le couvercle obturateur est soulevé par le piston 30 jusqu'à l'extraction du piston 30 du cylindre de piston 2. Le matériau filtrant ou absorbant peut alors être retiré de la chambre 60 et remplacé par un matériau filtrant ou absorbant de même type ou d'un autre type, ayant la même épaisseur ou une épaisseur différente. La remise état de marche de l'appareil se fait de façon inverse en introduisant le piston 30 par l'extrémité supérieure 10 du cylindre de piston 2, puis en mettant en place le couvercle obturateur 17a. Après avoir serré les boulons d'extrémité 27 et raccordé correctement le' conduit d'alimentation 38, le tube d'évacuation 53 et le raccord 66 relié à la source de fluide sous pression, la chambre 61 peut être mise sous pression, ce qui fait descendre le piston 30 et comprime le matériau filtrant ou absorbant. Les diverses pièces de l'appareil ci-dessus décrit peuvent être réalisées dans différents matériaux. De préférence, vu la diversité des conditions d'utilisation de l'appareil, les matériaux choisis doivent être résistants en milieu acide, neutre ou basique. Pour les besoins des laboratoires, le cylindre de piston 2 sera de préférence dans un verre résistant aux hautes températures de type "pyrex" et portera des graduations permettant de mesurer à l'oeil nu la distance séparant les tamis rigides 36 et 48, les autres éléments à l'exception des joints et de la visserie seront réalisés dans un matériau en matière plastique résistant et transparent de préférence de type "plexiglas", ou sont réalisés en polycarbonate ou en inox. Diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'appareil décrit. En particulier, le couvercle obturateur 17a peut être réalisé en une seule pièce, l'ensemble 22 comprenant la plaque de support 7 et la paroi de fond 4 peut être réalisé en une seule pièce avec le cylindre de fond 45. L'écartement entre la paroi de fond et la plaque de couvercle 15 peut être maintenu par un manchon cylindrique creux entourant chaque tirant 21 et disposé entre la paroi de fond 4 et la plaque de couvercle 15. Il REVENDICATIONS 1. Appareil de séparation d'au moins deux éléments contenus dans un fluide liquide ou gazeux à l'aide d'un matériau filtrant ou absorbant comprenant: - une chambre de séparation délimitée par une paroi latérale cylindrique et deux faces d'extrémité opposées, - un conduit d'alimentation et un conduit d'évacuation débouchant dans ladite chambre de séparation respectivement au voisinage de l'une desdites faces d'extrémité, ladite chambre de séparation étant destinée à contenir un matériau filtrant ou absorbant à travers lequel circule le fluide à traiter introduit dans ladite chambre de séparation par ledit conduit d'alimentation et évacué après traitement par ledit conduit d'évacuation, caractérisé en ce que l'une (36) desdites faces d'extrémité (36, ) est ajustable par rapport à l'autre face d'extrémité (48) dans ladite paroi cylindrique (2), de manière à pouvoir ajuster le volume de ladite chambre de séparation (60) à l'épaisseur de la couche de matière filtrant ou absorbant disposé dans ladite chambre et la pression à exercer par les faces d'extrémité sur ledit matériau. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, une cavité de répartition (35a) du fluide à traiter située à l'extrémité d'entrée et dans laquelle débouche ledit conduit d'alimentation (38), ladite cavité de répartition (35a) communiquant avec ladite chambre de séparation (60) par un premier tamis rigide (36) formant l'une (36) desdites faces d'extrémité (36, 48), et d'autre part, une cavité de collecte (46a) du fluide après traitement située à l'extrémité de sortie et dans laquelle débouche ledit conduit d'évacuation, ladite cavité de collecte (46a) communiquant avec ladite chambre de séparation (60) par un deuxième tamis rigide (48) formant l'autre (48) desdites faces d'extrémité (38, 48). 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un cylindre de piston (2) reposant sur une paroi de fond.(4) et obturé de-façon étanche par une paroi de couvercle (11), une plaque de support (7) sur laquelle est fixée ladite paroi de fond (4), une plaque de couvercle (15) fixée au- dessus de ladite paroi de couvercle (11) et formant avec celle-ci un couvercle obturateur 17a, un cylindre de protection (6) concentrique avec ledit cylindre de piston (2) disposé autour dudit cylindre de piston et entre ladite plaque de support (7) et ladite plaque de couvercle de manière à ménager une chambre annulaire (20) étanche autour dudit cylindre de piston (2), des tirants de fixation (21) disposés dans ladite chambre annulaire et reliant ladite plaque de support (7) à ladite plaque de couvercle (11), et un piston (30) coulissant dans ledit cylindre de piston (2) et muni d'une tige de guidage (31) traversant ledit couvercle obturateur (17a), en ce que ladite chambre de séparation (60) est située entre la face inférieure (36) dudit piston (30) et ladite paroi de fond (4), et en ce que la face supérieure (17) de ladite paroi de couvercle est située au-dessus de l'extrémité supérieure (10) dudit cylindre de piston (2). 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'espace (61) délimité par ladite paroi de couvercle (11) et la face supérieure (34) dudit piston (30) est étanche et est relié à une source de fluide sous pression à l'aide d'un orifice (62) ménagé dans ledit couvercle obturateur (17a) et en ce que ladite tige de guidage (31) est creuse et délimite ledit conduit d'alimentation (38). 5. Appareil selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit piston (30) comprend un bloc cylindrique (33) ayant une face d'extrémité annulaire (37), et comprend un premier tamis rigide (36) fixé à ladite face d'extrémité annulaire (37), en ce que ladite cavité de répartition (35a) ayant une forme de préférence conique est ménagée dans ledit bloc cylindrique (33) au-dessus dudit premier tamis rigide (36) à partir de ladite face d'extrémité annulaire (37), et en ce que ledit conduit d'alimentation (38) débouche dans la partie supérieure (39) de ladite cavité de répartition (35a). 6. Appareil selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'un contre-piston (45) ayant une face d'extrémité supérieure annulaire (49) est disposé dans ledit cylindre de piston (2) au-dessus de ladite paroi de fond (4), en ce qu'un deuxième tamis rigide (48) est fixé à ladite face d'extrémité annulaire (49), en ce qu'une cavité de collecte (46a) ayant une forme de préférence conique est ménagée dans ledit contre-piston (45) à partir de ladite face d'extrémité annulaire (49) et en ce que le conduit d'évacuation (53) débouche dans la partie inférieure (54) de ladite cavité de collecte (46a). 7. Appareil selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le cylindre de piston (2) est réalisé dans un verre résistant à la chaleur de type "pyrex" et comporte des graduations destinées à mesurer la distance séparant les deux faces d'extrémité (36, 48) de ladite chambre de séparation (60). 8. Appareil selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ledit cylindre de protection (2) est réalisé dans un matériau plastique résistant et de préférence transparent. 9. Appareil selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le piston (30), le contre-piston (45) et les tamis rigides (36, 48) sont réalisés dans un matériau plastique résistant en milieu acide, neutre ou basique.