Brevet FR2630657A1 — publié le 19891103

Appareillage de filtration tangentielle La présente invention concerne un appareillage de filtration tangentielle mettant en oeuvre dans un carter une membrane filtrante en rotation. - Dans la demande de brevet européen no 0 112 152 on décrit un appareillage destiné à fractionner le sang dans lequel on utilise la rotation d'une membrane cylindrique à l'intérieur de son carter pour créer une force de cisaillement; la demande de brevet WO 85-04 112 précise l'espacement critique entre le carter et la membrane précités de façon à établir le long de la membrane des vortex de Taylor. Dans l'article paru dans Escher Wyss - News, vol 51/52, 2/1978 - 1/1979 pp 21-23, TOBLER W. "Dynamic filtration.the engineering concept of the Escher-Wyss pressure filter", on divulgue un appareillage de filtration comportant deux membranes concentriques ou excentriques, la membrane intérieure étant animée d'un mouvement de rotation; l'espace entre les deux membranes est tel qu'il se forme entre elles des vortex de Taylor. Dans les articles de B. Hallstrbm et M. Lopez-Leiva "Description of a rotating ultrafiltration module" paru dans "Desalinisation, 24 (1978) 273-279 Elsevier Scientific Publishing Company - Amsterdam" et "Ultrafiltration at low degrees of concentration polarisation, technical possibilities" par dans "Desalinisation, 35 (1980) 115-118" (même éditeur) , l'appareillage de filtration comporte une membrane cylindrique tournant dans un carter, l'espace entre ces deux pièces étant de 0,7 mm pour une membrane de 25 mm de diamètre et de longueur 480 mmn. La rotation de la membrane implique l'utilisation d'un moteur de 1,8 Kw, soit 47,4 Kw/m2 de membrane. Tous les dispositifs précités présentent de lourdes contraintes du point de vue des tolérances géométriques des pièces qui les composent à cause du très faible intervalle existant entre la membrane et son carter; pour la même raison ils ne permettent pas la filtration de suspensions possédant des particules de grandes dimensions, ni de suspensions à taux de matière sèche élevée. En outre le liquide brassé peut être soumis à un échauffement excessif. Enfin, ces dispositifs consomment beaucoup d'énergie, la - 2 - déperdition d'énergie provenant principalement des passages tournants étanches. La présente invention a pour objet d'éviter ces inconvénients, autrement dit de réaliser un appareillage de filtration tangentielle, sans contrainte de dimension d'espacement entre la membrane et le carter, à consommation énergétique faible, et présentant un caractère de souplesse et d'universalité quant à la nature des produits pouvant être filtrés. La présente invention a pour objet un appareillage de filtration tangentielle comprenant-dans un carter une membrane de filtration cylindrique, la couche filtrante constituant la face externe de cette membrane qui est susceptible d'être entraînée en rotation autour de son axe par un système d'entraînement, ledit carter présentant un orifice d'entrée pour l'alimentation en liquide à filtrer et un orifice de sortie pour l'évacuation du rétentat. Il est caractérisé notamment par les éléments suivants: - Ledit carter est formé d'une enveloppe latérale fermée de manière étanche par une platine inférieure et une platine supérieure supportant au moins un système d'entraînement dont l'axe la traverse de manière étanche. - Ledit carter contient au moins une membrane cylindrique, dont le rapport longueur/diamètre est supérieur ou égal à 10, dont les extrémités sont munies d'un bouchon en métal ou en céramique, le bouchon supérieur étant fixé directement audit axe du système d'entraînement; l'étanchéité entre le compartiment du retentat, extérieur à la membrane et le compartiment du perméat, intérieur à la membrane, est réalisée par la coopération par frottement et emmanchement conique de deux pièces en céramique situées respectivement dans lesdits bouchons, avec deux pièces complémentaires en céramique liées respectivement à ladite platine supérieure et à ladite platine inférieure. - Ledit carter présente un orifice de sortie du perméat situé au droit dudit bouchon inférieur et coincidant avec des ouvertures ménagées dans les deux pièces coniques emmanchées. La distance entre deux membranes, ou la distance entre une membrane et son carter, est comprise par exemple entre quelques millimètres et -3 - quelques centimètres. Selon un mode préférentiel, le matériau desdites pièces à emmanchement conique est choisi parmi l'alumine, la zircone, le carbure de silicium, le nitrure de silicium. De préférence la pièce conique supérieure d'étanchéité est liée à ladite platine supérieure-par un dispositif de rattrapage de jeu. Ladite membrane est susceptible d'être entraînée en rotation à une vitesse comprise entre 500 tours/minute et 5000 tours/minute. Ladite couche filtrante a un diamètre de pores compris entre 0,2 Mm et 15 am. Selon une variante de mise en oeuvre, ledit carter contient une pluralité de membranes situées parallèlement les unes aux autres, ladite platine inférieure comportant des tubulures pour la collection du perméat vers ledit orifice de sortie prévu dans le carter. Selon une autre variante de mise en oeuvre, ledit appareillage selon l'invention comporte une pluralité de carters contenant une membrane, l'enveloppe latérale de chaque carter étant perforée, l'ensemble étant disposé dans un conteneur commun avec une platine supérieure support des systèmes d'entraînement mécanique des membranes et une platine inférieure support des carters. L'appareillage selon l'invention présente de nombreux avantages. Tout d'abord, l'utilisation de pièces de frottement en céramique ayant à la fois une fonction mécanique et une fonction d'étanchéité a pour effet de réduire notablement la consommation d'énergie. Ces pièces à coefficient de frottement très faible sont très dures et très résistantes à l'usage. Par ailleurs, la membrane n'est pas située au voisinage du carter car on ne cherche pas à réaliser des vortex de Taylor. Il n'y a pas d'ajustement serré entre les membranes d'une part et les membranes et leur carter d'autre part; les tolérances géométriques sont peu contraignantes et la distance entre les membranes est peu critique. Le volume du liquide brassé est faible car il est limité au voisinage de la membrane. Comme la diffusion de la chaleur générée par frottement se fait dans toute la masse du liquide à filtrer, l'échauffement est modéré et il en résulte un risque faible de -4- dénaturation de ce liquide. Ceci est particulièrement important en biotechnologie et en agroalimentaire. L'appareillage selon l'invention permet de filtrer des suspensions à taux de matière sèche élevés, par exemple des suspensions de levures à 220 g/litre. Elle permet également de filtrer des suspensions comportant des particules abrasives grâce à l'effet centrifuge qui éloigne les particules de la surface filtrante. Les particules filtrées peuvent être de grande dimension, par exemple de quelques millimètres dans le cas de la pulpe de betterave ou de fibres végétales. La présence d'un système de rattrapage de jeu permet de rattraper 0,4 à 0, 8 mm, sur la position verticale de l'axe d'entraînement par rapport à la platine supérieure, lorsque la température varie entre -40 C et + 300 C, ce qui compense les dilatations différentielles des pièces en céramique et des pièces métalliques de l'appareillage. L'appareillage selon l'invention peut donc supporter des variations de température importantes, entre les périodes de filtration et les périodes de nettoyage par exemple. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation, qui sera faite à l'aide du dessin annexé, donné à titre illustratif mais non limitatif et dans lequel: - La figure 1 illustre très schématiquement en coupe partielle un appareillage de filtration selon l'invention, à une membrane. - La figure 2 est une vue partielle en coupe du dispositif de fixation de la membrane dans le carter de l'appareillage selon l'invention. - La figure 3 est une vue en élévation semi-coupée de la membrane visible partiellement dans la figure 2. - La figure 4 montre schématiquement une variante de réalisation du système de rattrapage de jeu visible dans la figure 2. - La figure 5 montre schématiquement en coupe une variante de la membrane visible dans la figure 3. - La figure 6 montre un appareillage selon l'invention dont le carter contient plusieurs membranes. - La figure 7 montre schématiquement eh coupe partielle une variante - 5 - d'appareillage selon l'invention. On voit dans la figure 1 un appareillage selon l'invention à une membrane. Il se compose d'un carter 1 composé d'une enveloppe latérale fermée à ses parties supérieure et inférieure par deux platines 2 et 3. Des joints 13 assurent l'étanchéité entre le carter et les platines 2 et 3. Une platine 4, fixée sur la platine 2 par l'intermédiaire d'entretoises 14, supporte un moteur 6, dont l'axe d'entraînement est référencé 10. La membrane filtrante 5 est entraînée directement par l'axe 10; un premier dispositif d'étanchéité 11 prévu dans la platine 2 et un second dispositif d'étanchéité prévu dans la platine 3 seront décrits en détail plus loin. La platine 2 comporte un orifice 9 d'alimentation en liquide à filtrer, la platine 3 un orifice 8 pour l'évacuation du rétentat et un orifice 7 pour la récupération du perméat. Les figures 2 et 3 montrent avec davantage de détails la membrane 5 et le dispositif d'étanchéité 11 qui lui est associé au niveau de la platine 2. La membrane 5 (figure 3) comprend un tube 31 poreux en céramique, muni sur sa face externe d'une couche filtrante 32, de diamètre de pores contrôlé. La longueur de la membrane -5 est choisie supérieure ou égale à dix fois son diamètre. Ceci est possible car, grâce aux propriétés du matériau céramique, une telle membrane tubulaire ne risque pas de se déformer par flambage. Pour un même encombrement diamétral, on peut avoir ainsi une plus grande surface filtrante disponible. Pour une même vitesse tangentielle, l'utilisation d'un petit diamètre augmente l'accélération radiale, ce qui améliore l'efficacité de la filtration surtout dans le cas des suspensions chargées. Les extrémités de la membrane 5 sont fixées dans deux bouchons 33 et 34 réalisés en alliage métallique ou en céramique. Les parties extrêmes de ces bouchons reçoivent deux pièces ou grains de céramique 35 et 36 qui sont des pièces dont le perçage cylindrique axial est prolongé par un perçage tronconique o"vert vers l'extérieur. Ces grains sont solidaires respectivement des bouchons 33 et 34. Une chemise 21, dont la position est réglable grâce à la vis 22, est fixée sur la platine 2 par l'intermédiaire d'un contre écrou 23. 2630657- -6- L'étanchéité entre l'intérieur du carter 1 et l'extérieur est assurée par un joint 24. La chemise 21 contient un piston 25, immobilisé en rotation par rapport à elle grâce à un ergot 28, et qui coopère avec un dispositif de rattrapage de jeu 27 comportant des rondelles élastiques métalliques ou un ressort. A sa partie inférieure le piston 25 comprend un logement o est fixé, par exemple par tout moyen de collage, une pièce ou grain de céramique 26, coopérant par emmanchement conique avec le grain de céramique tournant 35. L'ensemble du piston comporte un perçage axial pour l'axe 10 du moteur. L'étanchéité au niveau de la platine 2, entre le compartiment du rétental extérieur à la membrane et le compartiment du perméat intérieur à la membrane, est donc assurée par le frottement entre les grains 26 et 35. De même, au niveau de la platine 3 l'étanchéité est assurée par la coopération par emmanchement conique du grain 36 avec un grain 16 fixe, visible dans la figure 1 solidaire de la platine 3, et présentant un orifice 17 pour l'évacuation du perméat coincidant avec l'orifice 7 de la platine 3. Les deux couples de grains assurent en outre le centrage de l'ensemble tournant dans le carter, et leur mise en oeuvre permet de réduire notablement l'énergie d'entraînement. A titre d'exemple la membrane 5 présente un diamètre de 19 mm et une longueur de 750 mm. La couche filtrante présente des pores dont les diamètres peuvent varier entre 0,2 am et 15 am. Le carter 1 présente un diamètre de 45 mm. La vitesse d'entraînement de la membrane est comprise entre 500 tours/minute et 5000 tours/minute. Pour 500 tours/minute la consommation énergétique est environ de 0,2 Kw/m2; à 3000 tours/minute elle est de 0,2 à 0,3 Kw/m2; à 5000 tours/minute, elle est de 0,3 à 0,6 Kw/m2. On remarque donc que le système d'entraînement et d'étanchéité, ainsi que la forme de la membrane contribuent à une réduction très importante de la consommation énergétique de l'appareillage. On a montré dans la figure 2 un dispositif de rattrapage de jeu constitué de deux rondelles élastiques en acier inoxydable avec une rondelle intermédiaire en matériau rigide. Un tel dispositif est destiné à compenser les différences de dilatation apparaissant entre les pièces -7en céramique et les pièces métalliques de l'appareillage, en cas de variations de température. La figure 4 illustre une variante de ce dispositif. La platine supérieure 2 est usinée de façon à recevoir une bague coulissante 40 dans laquelle est fixé le grairi fixe 26, qui assure l'étanchéité par contact avec le grain tournant 35; la bague 40 est immobilisée en rotation par rapport à la platine 2 par un ergot 44. Un orifice 41, réalisé dans la platine 2, prolongé par un capillaire 46 relié à une source de pression régulée (cuve tampon par exemple, non illustrée), permet de maintenir une pression P1 dans le volume 45 situé au-dessus de la bague 40. L'étanchéité entre la platine 2 et la bague 40 est assurée au moyen des joints 42 et 43. L'extrémité inférieure de la bague 40 se trouve dans l'enceinte de filtration o règne la pression P2. Pour assurer une pression suffisante et constante entre les grains 26 et 35 malgré les dilatations différentielles, il faut que la pression Pl soit toujours supérieure à la pression P2; P1 est ajustée de façon à ce que la pression exercée sur les grains soit de l'ordre de 1 bar. On a illustré dans la figure 5 une variante de réalisation 50 de la membrane 5. Elle présente une structure monolithique en céramique comprenant une partie tubulaire poreuse 51 comportant sur sa face externe une couche filtrante 52, elle-même en céramique, de diamètre de pores contrôlé, et deux bouchons en céramique 53 et 54. Le bouchon 53 reçoit un usinage 56 correspondant à la surface de contact avec le grain fixe 26 et un usinage 57 correspondant au logement de l'axe 10. Le manchon 54 reçoit un usinage 55 correspondant à la surface de contact avec le grain fixe 16 et et un usinage 58 correspondant à l'orifice pour l'écoulement du liquide filtré. Les bouchons et la partie tubulaire peuvent être rendus solidaires, soit par assemblage et cofrittage des pièces en cru, soit par la réalisation de scellement au verre 59 sur les pièces frittées. Comme précédemment, l'étanchéité entre les compartiments est assurée par le contact respectivement entre les surfaces 56 et 55 et les grains fixes 26 et 16. La figure 6 montre un carter 61 contenant une pluralité de membranes tournantes, l'ensemble étant à faible consommation d'énergie. Le carter 61 est fermé par deux platines 62 et 63 reliées par -8l'intermédiaire d'entretoises 65. La platine 64 fixée à la platine j2 par l'intermédiaire d'entretoises 74 sert de supports à des moteurE 66. Chaque moteur 66 est associé, comme dans l'appareillage des figure; 1 à 3, à une membrane filtrante 65. Les différentes membranes tourne: préférentiellement dans le même sens; dans le cas contraire, i- aurait tendance à former des couches limites stables autour de:.aque membrane. La platine 63 possède un système de collection 68 des divers perméats provenant des membranes 65 vers un orifice 67. A titre d'exemple, le carter 61, de diamètre intérieur égal à 126 mm, contient 7 membranes de diamètre 19 mm et de longueur 750 mm. Le carter présente un diamètre de 250 mm s'il contient 19 membranes. Avec les 7 membranes précédentes, il est possible de fUltrer de l'eau ou des suspensions de levures à des vitesses comprises entre 500 et 4000 tours/minute. Les débits obtenus, variables selon les types de liquides, sont compris entre 0,2 et 1 m3/h/m2 pour l'eau et entre 0,2 et 0,5 m3/h/m2 pour les suspensions de levures. Dans la figure 7 on a illustré schématiquement un Dispositif multitubes 80 comportant l'association d'une pluralité de dispositifs monotubes 70. Chaque dispositif monotube est identique au dispositif des figures 1 à 3 sauf en ce qui concerne son carter 71 rercé de trous 72 sur la presque totalité de sa hauteur. L'étanchéité -ntre la platine 82 et les carters 71 est assurée par des joints 73. Le dispositif multitubes 80 comporte quant à lui d:ux platines 82 et 83 - assujetties à un carter 81 par l'intermédiaire de joints 84; une platine 85, solidaire de la platine 82, par l'inmermédiaire d'entretoises 87, reçoitles moteurs 86 de chaqt. dispositif monotube 70. La platine 83 reçoit les grains fixes en céramique 88, elle comporte un système de collection 90 des divers perméate ainsi qu'un orifice 89 d'évacuation du rétentat. La platine 82 possèd un orifice 91 d'alimentation en liquide à filtrer. L'étanchiité entre le compartiment du rétentat extérieur aux membranes céramiques, et le compartiment du perméat, intérieur aux membranes, est assuré par le contact entre les grainsfixes en céramique 76 et 88 et les gr ins tournants en céramique intérieurs aux dispositifs monotubes. Bien entendu l'invention n'est pas lim.tée aux divers modes de réalisation donnés à titre d'exemples. On pourra, sans sortir du cadre le l'invention remplacer tout moyen par un moyen équivalent. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Appareillage de filtration tangentielle comprenant dans un carter une membrane de filtration cylindrique, la couche filtrante constituant la face externe de cette membrane qui est susceptible d'être entraînée en rotation autour de son axe par un système d'entraînement, ledit carter présentant un orifice d'entrée pour l'alimentation en liquide à filtrer et un orifice de sortie pour l'évacuation du rétentat, caractérisé par le fait: - que ledit carter est formé d'une enveloppe latérale fermée de manière étanche par une platine inférieure et une platine supérieure supportant au moins un système d'entraînement dont l'axe la traverse de manière étanche, - que ledit carter contient au moins une membrane cylindrique, dont le rapport longueur/diamètre est supérieur ou égal à 10, dont les extrémités sont munies d'un bouchon en métal ou en céramique, le bouchon supérieur étant fixé directement audit axe du système d'entraînement, l'étanchéité entre le compartiment du retentat, extérieur à la membrane, et le compartiment du perméat intérieur à la membrane, étant réalisée par la coopération par frottement et emmanchement conique de deux pièces en céramique situées respectivement dans lesdits bouchons, avec deux pièces complémentaires en céramique liées respectivement.à ladite platine supérieure et à ladite platine inférieure, - et que ledit carter présente un orifice de sortie du perméat situé au droit duditbouchon inférieur et coincidant avec des ouvertures ménagées dans les deux pièces coniques emmanchées. 2/ Appareillage de filtration tangentielle selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la distance entre deux membranes, ou la distance entre une membrane et son carter est comprise entre quelques millimètres et quelques centimètres. 3/ Appareillage de filtration tangentielle selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau desdites pièces à emmanchement conique est choisi parmi l'alumine, la -ircone, le carbure de silicium, le nitrure de silicium. 4/ Appareillage de filtration tangentielle selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la pièce conique - 11 - supérieure d'étanchéité en céramique est liée à ladite platine supérieure par l'intermédiaire d'un dispositif de rattrapage de jeu. / Appareillage de filtration tangentielle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite membrane est susceptible d'être entraînée en rotation à une vitesse comprise entre 500 tours/minute et 5000 tours/minute. 6/ Appareillage de filtration tangentielle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite couche filtrante a un diamètre de pores compris entre 0,2 am et 15 am. 7/ Appareillage de filtration tangentielle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit carter contient une pluralité de membranes.situées parallèlement les unes aux autres, ladite platine inférieure comportant des tubulures pour la collection du perméat vers ledit orifice de sortie prévu dans le carter. S/ Appareillage de filtration tangentielle selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de carters contenant une membrane, l'enveloppe latérale de chaque carter étant perforée, l'ensemble étant disposé dans un conteneur commun avec une platine supérieure support des systèmes d'entraînement mécanique des membranes, et une platine inférieure support des carters et munie de tubulures pour la collection du perméat.