Brevet FR2653031A1 — publié le 19910419

La présente invention concerne un empilement filtrant destiné à être monté dans un dispositif filtrant pour fluide fonctionnant selon le principe de flux croisés, empilement filtrant, qui, entre deux plaques d'extrémité, dont l'une au moins présente des connexions pour fluide, est maintenu à l'état étanche et qui comporte des éléments filtrants ronds aplatis et des éléments support drainants placés al- ternativement, l'empilement à base d'éléments présentant au centre une découpure du type puits et entre cette découpure centrale et la périphérie plusieurs découpures du type puits réparties sur le tour, qui servent de conduites séparées pour le rétentat et le perméat, les découpures du type puits débouchant dans la plaque d'extrémité par les connexions pour fluide. Cet empilement filtrant est connu par exemple grâce au document DE-OS 33 41 262. L'élément séparateur, qui y est décrit, est en forme d'empilement constitué de décou- pes superposées entre deux plaques d'extrémité, il est enco- re améliorable en ce qui concerne son organisation d'écoule- ment, dès lors qu'il s'agit d'obtenir une chute de pression la plus faible possible entre l'entrée et la sortie du réten- tat, sans que cela ne nuise au rendement du filtrage. Précisément, lors du filtrage de fluides à forte teneur en C02, comme la bière, les jus de fruits et analogues ri- ches en C02, une certaine pression, pôté filtrat, est néces- saire afin d'éviter un dégagement de C02 provenant du fluide. Ceci conditionne donc un niveau de pression élevé côté réten- tat pour permettre le filtrage, c'est-à-dire que tout le sys- tème de filtrage doit être équilibré en pression vers l'ex- térieur. Eu égard aux découpures relativement petites de l'élé- ment séparateur en forme d'empilement décrit dans le document DE-OS 33 41 262, la forte chute de pression entre l'entrée et la sortie du rétentat empêche un passage suffisant à tra- vers la membrane, ce qui a éventuellement pour conséquence la formation rapide d'une couche de recouvrement et partant, une chute des rendements de filtrage, mais surtout les ouver- tures d'arrivée ont tendance à se boucher notamment avec des milieux à forte teneur en matières solides ou en particules, comme par exemple les jus de fruits, ou bien lors du filtrage de fluides à viscosité élevée, comme du lait et du petit- lait. L'on connaît aussi (DE-GM 87 00 793) des éléments fil- trants en forme de cloche en céramique à distance axiale for- mant par empilement un noyau creux dans un bâti sous pression qui l'entoure, avec traversée des fentes formées entre les éléments filtrants en forme de cloche sur les faces interne et externe en direction des génératrices selon le principe de flux croisés. L'évacuation du filtrat s'effectue à partir des espaces creux en forme de croix des corps en céramique. En raison de la conformation particulière, la fabrication en est limitée à des matériaux résistants et indéformables et est très complexe. La présente invention revient donc à réaliser avec des moyens constructifs simples un dispositif filtrant du type évoqué précédemment, servant au filtrage de milieux à forte teneur en matières solides ou en particules, dispositif qui puisse être mis en oeuvre avec une pression de régime élevée, dans lequel la chute de pression à l'intérieur des chemine- ments de courant soit relativement faible et dans lequel 1' emploi de milieux séparateurs de types différents soit possi- ble selon le même principe d'étanchéité que celui des élé- ments pris isolément. Ce problème est résolu conformément à la présente inven- tion par un empilement filtrant destiné à être monté dans un dispositif filtrant pour fluide, fonctionnant selon le prin- cipe de flux croisés, empilement filtrant, qui, entre deux plaques d'extrémité, dont l'une au moins présente des con- nexions pour fluide, est maintenu à l'état étanche et qui com- porte des éléments filtrants ronds aplatis et des éléments support drainants placés alternativement, l'empilement d'élé- ments présentant au centre une découpure de type puits et entre cette découpure centrale et la périphérie plusieurs dé- coupures de type puits réparties sur le pourtour, qui servent de conduites séparées pour le rétentat et le perméat, les dé- coupures de type puits débouchant dans la plaque d'extrémité par les connexions pour fluide, caractérisé en ce que - l'empilement filtrant est, en direction sensiblement dia- métrale, traversé par un puits en forme de fente, qui sert de conduite pour le rétentat et qui débouche dans la plaque d'extrémité présentant les connexions pour fluide, - dans la zone diamétrale d'extrémité de la surface de l'em- pilement non comprise dans le puits en forme de fente, il est placé au moins un puits servant à évacuer le perméat du plan des éléments filtrants, les puits pour le perméat débou- chant dans la plaque d'extrémité comportant les connexions, - les éléments support guidant le fluide chargé de particu- les sont constitués par des plaques de passage comportant des canaux de passage placés des deux côtés transversalement par rapport au puits en forme de fente, - deux découpes filtrantes respectives en écartement drainant grâce à une nappe de drainage ou à une grille sont placées entre deux plaques respectives de passage pour la conduite du rétentat et du perméat, et - les canaux de passage débouchent, l'empilement filtrant étant monté, périphériquement dans une chambre de pression pour le fluide du dispositif filtrant. En résumé, la présente invention se compose d'une en- ceinte de filtre comportant un empilement filtrant ou d'un empilement filtrant destiné à être utilisé conformément à la définition dans une enceinte de filtre avec les particulari- tés suivantes. Dans un dispositif filtrant pour fluide, fonctionnant selon le principe de flux croisés, comportant un empilement filtrant maintenu à l'état étanche par deux plaques d'extré- mité, dont l'une au moins présente des connexions pour flui- de, empilement filtrant constitué par des éléments filtrants ronds aplatis et, placés alternativement, des éléments Sup-- port:drainants appropriés, la plaque d'extrémité présentant les connexions pour fluide faitpartie d'une enceinte entourant l'élément filtrant et l'admission périphérique sur l'élément filtrant s'effectue par l'intermédiaire d'un compartiment circulaire de l'enceinte. L'éléent fltiaertt 'est traversé en di- rection sensiblement diamétrale par un puits en forme de fente, qui sert de conduite de fluide pour le rétentat et qui débouche dans la plaque d'extrémité présentant les con- nexions pour fluide. Dans la zone diamétrale d'extrémité de la surface d'empilement non comprise dans le puits en forme de fente, il est placé au moins un puits servant à évacuer le perméat du plan des éléments filtrants, les puits pour le perméat débouchant dans la plaque d'extrémité comportant les connexions. Les éléments support guidant le fluide char- gé de particules sont constitués par des plaques de passage comportant des canaux de passage placés des deux côtés trans- versalement par rapport au puits en forme de fente et deux découpes filtrantes en écartement drainant grâce à une nappe de drainage ou à une grille sont respectivement placées entre deux plaques respectives de passage servant à la con- duite du rétentat et du perméat. Dès lors que le total des sections transversales d'admission dans la découpure en forme de fente et celui des sections transversales externes dans le compartiment externe du rétentat sont sensiblement identi- ques, il est possible de réaliser sans problème un retour sans élévation de pression dans le puits interne du rétentat. Ce dispositif filtrant permet de filtrer à prix avantageux des fluides véhiculant des particules et dont la teneur en matières solides est élevée. Un exemple de réalisation de la présente invention est représenté dans les dessins annexes. La figure 1 est une coupe schématique verticale à travers un dispositif filtrant pour fluide; la figure 2 représente vue d'en haut une plaque de passa- ge; la figure 3 montre une coupe transversale à travers la plaque de passage le long de la ligne de coupe 3-3 de la figu- re 2; la figure 4 représente vu d'en haut un masque de répar- tition de pression; la figure,5 est une vue d'en haut sur l'élément filtrant à plusieurs couches; la figure 6 donne une coupe transversale à travers l'élé- ment filtrant le long de la ligne 6-6 de la figure 5; la figure 7 représente une coupe longitudinale à travers l'élément filtrant le long de la ligne 7-7 de la figure 5 et la figure 8 est une coupe verticale à travers une par- tie de l'élément filtrant correspondant sensiblement à la vue d'ensemble de la figure 1 et le long des lignes de cou- pe 3-3 et 7-7. Le dispositif filtrant conforme à la figure 1 se compo- se pour l'essentiel d'une partie supérieure d'enceinte 1 en forme de cloche, d'une partie inférieure d'enceinte 2, qui présente de préférence les connexions pour fluide 3,4,5 et qui, amovible, est reliée à la partie supérieure par l'in- termédiaire d'éléments de fixation comportant des joints. L'enceinte 1,2 est alimentée en fluide par l'intermédiaire d'une pompe 6 et de la connexion 4 et le fluide traverse l'élément filtrant 32 placé dans l'enceinte 1,2, dans la chambre de rétentat 11 de l'extérieur vers l'intérieur. Le rétentat concentré quitte l'empilement filtrant 32 et l'enceinte 1, 2 à travers l'espace central de rétentat 30 par l'intermédiaire de la connexion 3. Le perméat traversant les éléments filtrants 41 quitte l'empilement filtrant 32 à travers les puits de perméat 31 et la sortie de perméat 5 dans la plaque d'extrémité inférieure 2. Un espace circulai- re 2' placé dans la partie inférieure de l'enceinte 2 raccor- de tous les passages et tous les puits 31 à la sortie 5 pour le perméat. Tout l'empilement filtrant 32 est maintenu par une plaque de compression 9, plaque d'extrémité supérieure, et un boulon de serrage 7 relié à la plaque d'extrémité in- férieure 2, boulon comportant un écrou 8 en position étanche. L'écrou 8 peut également, conformément au document DE-OS 37 80 733, être remplacé par une commande de tension, qui compense les efforts d'expansion de l'élément filtrant 32. L'enceinte 1,2 peut être mise à l'atmosphère par l'intermé- diaire de la sortie 24. Les différents éléments pris isolément sont représentés dans les figures 2 à 8. S'agissant d'une suite de couches partant d'en haut, conformément à la figure 1, elle se com- pose d'une plaque de passage 38 d'après les figures 2 et 3, qui présente une découpure centrale en forme de fente 30,30' et aux extrémités de celle-ci sur le pourtour des découpures 31 pour le perméat. Les découpures 31 sont incluses dans des rebords de pla- que plats 38' servant de joints de pression. Sous cette plaque de passage supérieure 38 comportant éventuellement une surface extérieure lisse, l'on a placé un élément filtrant conforme aux figures 5 à 7, dont la configu- ration de perçage correspond à celle de la plaque de passage 38, en ce qui concerne les découpures 30,30',31. Cet élément filtrant 41 se compose d'une découpe filtrante plate 36 su- périeure et inférieure, qui enserre à la manière d'un sandwich une nappe de drainage 37 ou une grille, dont les bords péri- phériques sont reliés inclusivement et de manière étanche, par soudure ou collage, à la zone de la découpure centrale en forme de fente 30, formant ainsi un joint 33. Selon le besoin, l'on place des deux côtés entre la couche support drainante 37 en forme d'une nappe ou d'une grille et les dé- coupes filtrantes plates 36 un masque de répartition de pres- sion 34, qui garantit que dans le plan de la couche support drainanté 37, le perméat peut couler librement dans les dé- coupures 31 servant à la conduite du perméat, ce que la figu- re 5 représente schématiquement. Le masque de répartition de pression présente un évidement 31 coincidant avec les décou- pures 31 de l'élément filtrant 41 et comportant une traverse centrale 35. Le masque de répartition de pression 34 est avantageusement fixé sans possibilité de translation dans le joint 33 de l'élément filtrant 41. Les découpures 31 peuvent aussi consister en plusieurs perforations circulaires. A cet élément filtrant 41 succède à nouveau une plaque de passage 38, comme l'indiquent les figures 1 et 8. Comme cela ressort des figures 2 et 3, les canaux de pas- sage 39 situés sur un plan, allant vers l'extérieur transver- salement à la découpure centrale en forme de fente 30, ont cependant des longueurs, des largeurs et des profondeurs dif- férentes. Les différentes longueurs des canaux de passage 39 pour le rétentat, résultant de la géométrie de la plaque et du choix de la découpure centrale en forme de fente 30 peuvent être compensées par la contraction continue de section droi- te des canaux de passage 39 en allant du plus gros diamètre jusqu'à la périphérie (raccourcissement de la longueur des canaux de passage), pour veiller à l'homogénéité de la con- trainte tangentielle sur la surface de membrane. L'empile- ment filtrant 32 ainsi configuré est donc traversé parallè- lement, non pas radialement mais de l'extérieur vers le cen- tre en direction de la fente de rétentat 30,30'. L'empilement filtrant 32 est parcouru de tous côtés, de sorte qu'ici on ne décèle aucun angle mort, ni dans l'enceinte 1,2, ni dans les canaux de passage 39 ou dans les puits 30,30',31. Ceci est particulièrement important en ce qui concerne les cycles de nettoyage. L'enlèvement du rétentat ainsi que du perméat s'effectue par le fond de l'enceinte 1,2. Les plaques de passage 38 sont de préférence, eu égard à leur emploi spécifique, en matières plastiques extrudées ou sont des plaques profilées gravées en acier spécial et donc de ce fait réutilisables. Selon le besoin, plusieurs éléments filtrants 41 et plusieurs plaques de passage 38 conformes à la figure 8, empilés les uns au-dessus des autres, peuvent être, comme cela apparaît dans la figure 1, assemblés par des éléments de raccordement en modules filtrants 32a, ce qui en rend la manipulation plus aisée. Conformément à la fi- gure 8, ces éléments de raccordement peuvent par exemple être constitués par un entourage extrudé 40 en matière plastique ou en silicone, placé sur la face extérieure dans la zone des découpures 31 ou par des brides de fixation placées dans la zone des passages des puits de perméat 31. Le choix des découpes filtrantes plates 36 se détermine en fonction des fluides à traiter en prenant en compte les grosseurs de pore, le pouvoir de rétention, le matériau et la capacité de charge. La hauteur de fente entre deux découpes filtrantes plates 36 et les découpes drainantes intermédiai- res 37 se détermine de la même manière en fonction du fluide à traiter, elle est obtenue par le choix de l'épaisseur appro- priée des tissus ou de la nappe, ainsi que par le choix cor- respondant de l'épaisseur du masque de répartition de pres- sion 34. Les nappes sont de préférence des nappes planes peu compressibles, possédant de bonnes propriétés de drainage. Elles peuvent également former avec le filtre 36 un agglomé- ré laminé. Dans ce cas, il faut renoncer à utiliser des mas- ques de répartition de pression 34. Le matériau des masques de répartition de pression 34 se détermine en fonction du cas d'utilisation, il doit être de préférence dur et incompressible, afin d'empêcher que dans la zone d'écoulement, la membrane ne s'enfonce dans la struc- ture de nappe ou de tissu, qui doit être maintenue ouverte, ce matériau peut par exemple être du polypropylene, du poly- ester, une feuille métallique, du PVDF. L'épaisseur des mas- ques de répartition de pression se situe, selon le cas d'uti- lisation, entre 50 et 150 pm. Afin d'obtenir entre l'entrée 4 et la sortie 3 du réten- tat une faible chute de pression, l'écoulement du fluide contenant du C02 s'effectue de préférence de l'extérieur vers l'intérieur et ce sôus une pression de régime élevée dans l'enceinte 1,2, avec un étranglement simultané de l'écoule- ment du filtrat 5, afin d'obtenir également une augmentation de pression côté perméat du système filtrant. On évite ainsi un moussage etun-dégazage de l'écoulement. Lors du filtrage de fluides à viscosité élevée, comme du lait ou du petitlait, l'écoulement de l'extérieur vers l'intérieur est également avantageux,afin:de rendre aussi faible que possible la chute de pression entre l'entrée 4 et la sortie 3 du rétentat. On retarde ainsi la formation d'une couche de recouvrement sur les découpes filtrantes. La hauteur de fente entre les éléments filtrants 41 à traverser et les plaques de passage 38 et donc les canaux de passage 39 se situe, en fonction du fluide à traiter, entre et 1000 um. La plaque de passage peut aussi être constituée par une feuille en matière plastique estampée présentant des canaux de passage 39 et des rebords de plaque plats 38'. Les points hauts des canaux de passage 39 font ici saillie d'un côté ou des deux côtés au-dessus du plan des rebords de plaque 38'. On obtient pour les éléments filtrants 41 des surfaces por- tantes situées dans un plan et ce sur tout le plan de la plaque, avec des masques de compensation 34 posés dessus sous forme de rebords de plaques 38'. L'avantage du dispositif filtrant conforme à la présen- te invention et de son principe de passage et d'étanchéité réside en outre dans la variabilité et la faculté d'échan- ges des découpes et dans la possibilité, sans dépense impor- tante et dans un système de pression fermé à pression de régime et pression artificielle variables, de s'adapter aux différentes exigences de filtrage. Dès lors que le total des sections transversales d'admission dans la découpure en forme de fente 30, 30' et celui des sections transversales exter- nes d'admission dans le compartiment de rétentat sont sensi- blement identiques, il est possible de réaliser sans problè- me un retour dans le puits de rétentat 30,30' sans élévation de pression. Ce système fermé n'amène aucune déperdition par fuite et ceci est important dans le domaine de la biotechno- logie sous l'angle du danger de la prolifération des germes, de la contamination secondaire, de la pollution, etc... REVENDICATIONS 1. Empilement filtrant destiné à être monté dans un dispositif filtrant pour fluide, fonctionnant selon le prin- cipe de flux croisés, empilement filtrant, qui, entre deux plaques d'extrémité, dont l'une au moins présente des con- nexions pour fluide, est maintenu à l'état étanche et qui comporte des éléments filtrants ronds aplatis et des élé- ments support drainants placés alternativement, l'empilement d'éléments présentant au centre une découpure de type puits et entre cette découpure centrale et la périphérie plusieurs découpures de type puits réparties sur le pourtour, qui ser- vent de conduites séparées pour le rétentat et le perméat, les découpures de type puits débouchant dans la plaque d'ex- trémité par les connexions pour fluide, caractérisé en ce que - l'empilement filtrant (32) est, en direction sensible- ment diamétrale, traversé par un puits en forme de fente(30, ;), qui sert de conduite pour le rétentat et qui débouche dans la plaque d'extrémité (2) présentant les connexions (3,4,5) pour fluide, - dans la zone diamétrale d'extrémité de la surface de l'empilement non comprise dans le puits en forme de fente (30,30'), il est placé au moins un puits (31) servant à éva- cuer le perméat du plan des éléments filtrants (41), les puits pour le perméat (31) débouchant dans la plaque d'extré- mité (2) comportant les connexions (3,4,5), - les éléments support (38) guidant le fluide chargé de particules sont constitués par des plaques de passage (38) comportant des canaux de passage (39) placés des deux côtés transversalement par rapport au puits en forme de fente (30, '), - deux découpes filtrantes respectives (36) en écarte- ment drainant grâce à une nappe de drainage (37) ou à une grille sont placées.entre-deux plaques (38) respectives de passage pour la conduite du rétentat et du perméat, et - les canaux de passage (39) débouchant, l'empilement filtrant étant monté, périphériquement dans une chambre de pression pour le fluide (11) du dispositif filtrant. 1i 2. Empilement filtrant selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'en cas de besoin les puits de perméat (31) à maintenir ouverts dans le p 1 a n de la nappe de drainage (37) ou de la grille sont bordés par un masque de réparti- tion de pression (34) de faible épaisseur placé entre les découpes filtrantes (36) et le plan de drainage. 3. Empilement filtrant selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le masque de répartition de pression (-34) a une épaisseur de 50 à 150 1m. 4. Empilement filtrant selon l'ure cuelcaig des reverzcaticns 1 à 3 cacnt=isée* e queles plaques de passage (38) pour le rétentat sont en polymère synthétique. 5. Empilement filtrant selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la plaque de passage est constituée d'une feuille estampée présentant des canaux de passage (39) et des rebords de plaque plats (38'). - 6. Empilement filtrant selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les rebords de plaque plats (38') sont ren-- forcés au moins sur l'épaisseur de la plaque dans la zone des canaux de passage (39) par des masques de compensation de configuration correspondante. 7.Empilement filtrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la périphérie et le rebord de la décou- pure en forme de fente (30,30') sont enchassés de manière étanche par soudure ou collage dans deux découpes filtrantes (36) comportant un élément de drainage (37) d'insertion. 8. Empilement filtrant selon l'une quelconque des revendications là 7 caractérisé par une enceinte de pression (1,2) enserrant cet élément et les plaques d'extrémité (2,9) et comportant au minimum trois connexions pour fluide (3,4,5) pour la traver- sée de l'empilement filtrant (32) selon le principe de flux croisés.