Brevet FR2720953A1 — publié le 19951215

La présente invention concerne le domaine technique de la séparation moléculaire ou particulaire mettant en oeuvre des éléments de séparation, appelés généralement membranes et constitués à partir de matériaux inorganiques. L'objet de l'invention vise, plus précisément, la réalisation d'un élément inorganique de filtration de forme générale tubulaire permettant de concentrer, trier ou extraire des espèces moléculaires ou particulaires contenues dans un milieu fluide qui exerce une pression donnée sur la membrane. L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la nanofiltration, l'ultrafiltration, la microfiltration, la filtration ou l'osmose inverse. Dans le domaine des éléments de filtration de forme tubulaire, chaque membrane est constituée d'un support poreux réalisé sous la forme d'un tube dont la surface interne est pourvue d'au moins une couche séparatrice dont la nature et la morphologie sont adaptées pour assurer la séparation des molécules ou des particules contenues dans le milieu liquide circulant à l'extérieur du tube. Une telle membrane réalise, par effet tamis. une séparation des espèces moléculaires ou particulaires du produit à traiter dans la mesure o toutes les molécules ou particules supérieures au diamètre des pores de la membrane sont arrêtées. La membrane répartie ainsi le volume entrant. en un premier volume appelé filtrat et contenant les molécules ou particules ayant traversé la membrane, et en un second volume contenant les molécules ou particules retenues par la membrane. La séparation des espèces moléculaires ou particulaires se caractérise principalement, d'une part, par le pouvoir de coupure, c'est-à-dire par la plus petite molécule ou particule totalement arrêtée par la membrane et, d'autre part, par la vitesse de passage à laquelle s'effectue cette séparation. La vitesse de passage à travers la membrane dépend des caractéristiques texturales de la couche (diamètre de pores, porosité) mais également de son épaisseur. Pour être efficace, une membrane doit posséder une vitesse de passage élevée et, par suite, une faible épaisseur. Le rôle du support est de permettre, par sa résistance mécanique, la réalisation de couches de faibles épaisseurs. Le support doit posséder comme caractéristique complémentaire. une très faible résistance hydraulique, de façon que la vitesse de passage. à travers sa porosité, ne provoque pas l'existence d'une perte de charge importante, ce qui nuirait à l'efficacité de la membrane. Ainsi, le support doit permettre d'assurer la résistance mécanique de la membrane, tandis que la couche séparatrice doit définir la perméabilité sans participer à la résistance mécanique. Dans l'état de la technique, il est connu de nombreuses membranes realisées à partir d'éléments tubulaires de filtration. Ainsi, il est connu de monter en parallèle des éléments tubulaires, à l'intérieur d'une enveloppe appelée module. D'une manière classique, les modules sont caractérisés par le rapport de la surface d'échange totale des membranes sur le volume du module. Bien entendu, l'objectif est de réaliser des modules dont la valeur de ce rapport soit la plus élevée possible. Pour augmenter ce rapport. il est évident qu'il convient de réduire les diamètres extérieur et intérieur du tube. Toutefois, il doit être considéré que les membranes inorganiques possèdent la caractéristique d'être fragiles, de sorte qu'il apparaît impossible d'utiliser, de façon industrielle, des tubes de faibles diamètres. Pour augmenter ce rapport tout en évitant le problème de la fragilité, il a été mis au point un nouvel élément de filtration de type multicanal. Tel que cela ressort de la fig. 1, cet élément inorganique 1 de filtration comporte un support poreux rigide 2 de forme allongée présentant une section droite transversale polygonale ou, commne illustré, circulaire. Le support poreux 2, qui est par exemple réalisé en céramique. est aménagé pour comporter une série de canaux 3 parallèles à l'axe longitudinal A du support 2. La surface des canaux 3 est recouverte par au moins une couche de séparation destinée à être en contact avec le milieu à séparer. La surface d'échange d'un élément de filtration multicanal est beaucoup plus élevée que celle d'un tube, ce qui permet d'accroître le rapport de la surface d'échange sur le volume. Toutefois, il apparaît que l'élément multicanal possède un inconvénient majeur. Durant la séparation, le transfert du fluide s'effectue à travers la ou les couches, puis le fluide se répand dans la porosité du support pour se diriger vers la surface extérieure 4 du support. Tel que cela ressort clairement de la fig. 1, le trajet que doit suivre le filtrat avant d'atteindre la surface extérieure 4 du support, pour ce qui concerne le ou les canaux situés dans la partie centrale du support, est beaucoup plus long que celui des autres canaux, notamment périphériques. De plus, les filtrats provenant des canaux de la région centrale du support, récupèrent les filtrats provenant des autres canaux. Pour ces raisons. il apparaît une perte de charge pour le transfert du filtrat vers la surface extérieure du support. Cette perte de charge s'oppose à la pression de transfert et réduit la vitesse de passage. Il est à noter, également, qu'il existe une perte de charge, à un degré moindre, pour les autres canaux. En raison de la perte de charge constatée, la vitesse de passage d'un élément multicanal comprenant n canaux est inférieure à la somme des n éléments tubulaires (de même diamètre interne que les canaux), ce qui réduit l'intérêt de l'augmentation du rapport de la surface d'échange sur le volume. L'objet de l'invention vise donc à remédier aux inconvénients énoncés cidessus, en proposant un élément inorganique multicanal de filtration d'un fluide, adapté pour minimiser la perte de charge lors du transfert du perméat, de sorte qu'il peut être obtenu une vitesse de passage sensiblement de même valeur de celle correspondant à la somme d'éléments tubulaires dont le diamètre interne est égal à la section des canaux. Pour atteindre cet objectif. l'élément inorganique de filtration d'un milieu fluide, en vue de récupérer un filtrat, est du type comportant un support poreux rigide inorganique de forme allongée, à l'intérieur duquel au moins deux canaux sont réalisés parallèlement à l'axe du support. la surface des canaux étant recouverte par au moins une couche séparatrice destinée à être en contact avec le milieu fluide. Selon l'invention, chaque canal est aménagé de façon qu'une zone de sa surface soit placée directement en vis-à-vis avec une fraction de la surface externe du support, afin de former un couloir d'acheminement du filtrat provenant exclusivement de ladite surface du canal. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. I est une vue générale d'un exemple de réalisation d'un élément de filtration multicanal de l'art antérieur. La fig. 2 est une vue en coupe transversale d'un exemple de réalisation d'un élément de filtration multicanal selon l'invention. Les fig. 3 et 4 sont des vues en coupe transversale de deux autres variantes de réalisation d'un élément de filtration selon l'invention. Tel que cela ressort de la fig. 2, l'élément inorganique de filtration 1 conforme à l'invention, est adapté pour assurer la séparation ou la filtration de molécules ou de particules contenues dans un milieu fluide, de préférence liquide, de nature diverse comportant une phase solide ou non. L'élément de filtration 1 comporte un support poreux rigide inorganique 6, constitué dans une matière dont la résistance au transfert est adaptée à la séparation à effectuer. Le support 6 est réalisé à partir de matériaux inorganiques, tels que des oxydes métalliques, du carbone ou des métaux. Le support 6 est réalisé, généralement, sous la forme allongée ou d'un conduit s'étendant selon un axe longitudinal A. Le support 6 possède une section droite transversale hexagonale ou circulaire dans l'exemple illustré à la fig. 2. Le support 6 offre ainsi une surface extérieure 7 cylindrique ou hexagonale. Le support 6 est aménagé pour comporter au moins deux, et dans l'exemple illustré, trois canaux 8 réalisés parallèlement à l'axe A du support. Les canaux 8 présentent chacun une surface 9 recouverte par au moins une couche séparatrice non représentée, destinée à être en contact avec le milieu fluide à traiter circulant à l'intérieur des canaux 8. La nature de la ou des couches séparatrices est choisie en fonction du pouvoir de séparation ou de filtration à obtenir et forme, avec le support 6, une liaison intime. de façon que la pression provenant du milieu liquide soit transmise au support poreux. Cette ou ces couches peuvent être déposées à partir, par exemple, de suspensions contenant au moins un oxyde métallique et classiquement utilisées dans la production des éléments de filtration minéraux. Cette ou ces couches sont soumises, après séchage. à une opération de frittage qui permet de les consolider et de les lier entre-elles, ainsi qu'au support poreux 6. Conformément à l'invention. chaque canal 8 est aménagé de façon qu'une zone 11, à 113 de sa surface 9 soit placée directement en vis-à-vis avec une fraction 71, 7,, 73 de la surface externe 7 du support, afin de former un couloir d'acheminement 13,, 13, 133 pour le filtrat provenant exclusivement de ladite zone 11, à 113 du canal correspondant. Tous les canaux 8 réalisés délimitent ainsi un couloir 13, à 133 entre une fraction de leur surface 11, à 113 et une fraction 7, à 73 de la surface externe 7 du support. traversé exclusivement par le fluide provenant de chacune des zones correspondantes i1, à 113 et dont le trajet est représenté par les flèches f. Tel que cela ressort de la fig. 2, le filtrat récupéré par chacune des zones 7, à 73 provient exclusivement du fluide traversant le support poreux 6 à partir, respectivement, des zones 1, à 113 de la surface des canaux 8. Le transfert du fluide, représenté par les flèches f., est réalisé à partir de la surface restante des canaux 8, à savoir celle ne comportant pas les zones 11i à 113. Un tel transfert du filtrat se produit à travers la porosité du support subsistant entre les canaux 8. Conformément à l'invention, il n'apparaît pas de canaux intermédiaires entre l'axe A du support et la surface externe 7 du support, à la différence de l'élément multicanal de l'art antérieur illustré à la fig. 1, et selon lequel les canaux de la région centrale ne comportent pas de couloir d'acheminement direct du filtrat provenant exclusivement de chacun desdits canaux. En effet, le filtrat provenant de chaque canal de la région centrale vient s'ajouter au filtrat issu des canaux périphériques avant d'atteindre la surface externe 7 du support. Dans la mesure o tous les canaux 8 de l'élément selon l'invention présentent un couloir de transfert direct avec la surface externe, la perte de charge pour le transfert du filtrat est considérablement réduite par rapport aux solutions techniques antérieures. Il peut ainsi être obtenu une perméabilité très proche de celle correspondant, dans l'exemple illustré, à trois éléments tubulaires de même diamètre interne que celui des canaux. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, chaque couloir 13, à 133 présente, selon toute la longueur des zones 7, à 73 et 11, à 113, une épaisseur sensiblement constante. De préférence. mais non exclusivement, les couloirs 13, à 133 possèdent une épaisseur sensiblement identique. Selon la variante de réalisation illustrée à la fig. 2. chaque canal 8 possède une section droite polygonale délimitée par trois côtés, présentant chacun une forme générale courbe. L'un des côtés de chaque canal 8 délimite une zone 11, à 113 qui est concentrique à la surface externe 7 du support. Il est à noter que les centres des canaux 8 sont situés sur un cercle concentrique à la surface externe 7 du support. Bien entendu, il peut être envisagé de réaliser un élément de filtration I comportant des canaux 8 disposés de manière différente et présentant un autre profil de section droite transversale, tel que par exemple polygonale, circulaire ou pseudo-circulaire. Ainsi, tel que cela ressort de la fig. 3, l'élément de filtration comporte trois canaux 8 placés les uns à côtés des autres, suivant le diamètre du support 6. Chaque canal 8 comporte au moins une zone 111 à 113 de sa surface placée directement en regard avec une fraction de la surface externe 7, à 73 du support. afin de former un couloir d'acheminement 13, à 133 pour le filtrat provenant exclusivement de la surface correspondante du canal. Bien entendu, il peut être prévu que les canaux 8 possèdent des sections droites transversales différentes de celles illustrées. Dans le même sens, la fig. 4 illustre une variante de réalisation dans laquelle l'élément de filtration I possède une section droite transversale polygonale, du type hexagonale. Le support 6 est aménagé pour comporter quatre canaux 8 possédant tous une zone de leur surface délimitant, avec la surface externe 7, un couloir d'acheminement tel que défini par l'invention. Bien entendu, les éléments de filtration I selon l'invention peuvent être associés pour constituer des modules réalisés par les techniques classiques. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Elément inorganique de filtration d'un milieu fluide, en vue de récupérer un filtrat, du type comportant un support poreux rigide inorganique (6) de forme allongée, à l'intérieur duquel au moins deux canaux (8) sont réalisés parallèlement à l'axe du support, la surface (9) des canaux étant recouverte par au moins une couche séparatrice destinée à être en contact avec le milieu fluide, caractérisé en ce que chaque canal (8) est aménagé de façon qu'une zone (111-113) de sa surface (9) soit placée directement en vis-à-vis avec une fraction (7,-73) de la surface externe du support. afin de former respectivement un couloir d'acheminement (131-133) du filtrat provenant exclusivement de ladite surface du canal. 2 - Elément selon la revendication 1. caractérisé en ce que les canaux (8) sont réalisés de façon que leur centre se situe sur un cercle concentrique à la surface externe (7) du support. 3 - Elément selon la revendication 1. caractérisé en ce que les zones (11,- 113) des surfaces des canaux définissent, avec les surfaces externes (7,73) du support placées en vis-à-vis, des épaisseurs de support sensiblement constantes. 4 - Elémient selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les zones (11-113) des surfaces des canaux définissent. avec les surfaces externes (7,-73) du support placées en vis-à-vis, des épaisseurs de support présentant une valeur sensiblement identique pour tous les canaux. - Elément selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le support (6) possède une section droite transversale circulaire ou polygonale. 6 - Elément selon la revendication 5. caractérisé en ce qu'il comporte trois canaux (8) présentant chacun trois côtés de forme générale circulaire, dont l'un s'étend concentriquement à la surface externe du support (6) de section circulaire. 7 - Module de filtration pour fluide, caractérisé en ce qu'il comporte une série d'éléments inorganiques (1) de filtration conforme à la revendication 1.