Brevet FR2742352A1 — publié le 19970620

PROCEDE ET APPAREIL POUR FILTRER DES SUBSTANCES LIQUIDES OU PATEUSES ET/OU POUR SEPARER DES COMPOSANTS INCLUS DANS CES SUBSTANCES La présente invention concerne un procédé pour filtrer des substances liquides ou pâteuses et/ou pour séparer des composants et/ou des particules incluses dans ces substances, ces substances étant contenues ou traversant une enceinte d'un filtre et/ou d'un séparateur. Elle concerne également un appareil pour filtrer des substances liquides ou pâteuses et/ou pour séparer des composants de ces substances et/ou des particules incluses dans ces substances, cet appareil comportant au moins une enceinte contenant les substances ou traversée par elles. Il est bien connu que les performances et la quantité d'énergie requises pour procéder à une filtration ou à une séparation de composants ou de particules incluses dans des substances liquides ou pâteuses dépendent fortement des caractéristiques physiques des substances concernées. En particulier, l'expérience montre qu'une augmentation de la concentration de corps solides présents dans une substance à filtrer, qui a pour effet d'accroître la viscosité de cette substance, engendre une diminution sensible du pouvoir séparateur spécifique des appareils de filtration. Le rapport du volume de filtrat par rapport à la surface filtrante chute considérablement avec l'augmentation de la concentration et de la viscosité. L'énergie requise pour effectuer une opération de filtration et/ou de séparation peut devenir considérable, les pressions à appliquer sur les substances à traiter pouvant être importantes et des élévations de température pouvant devenir nécessaires pour réduire la viscosité ainsi que les contraintes de cisaillement. Le comportement rhéologique de substances à plusieurs composants mélangés, lorsqu'elles sont soumises à des traitements de filtration ou de séparation, dépend fortement des caractéristiques de ces substances, ces caractéristiques étant d'ailleurs variables au cours du temps, notamment en fonction de la nature, de l'intensité et de la durée des traitements qu'elles subissent. La connaissance de ces caractéristiques et de leur évolution est souvent empirique. Pour qu'une filtration ou une séparation efficace puisse être effectuée, il est absolument indispensable que ces caractéristiques se situent dans une zone de valeurs favorables à ces traitements. Les procédés de filtration et/ou de séparation ainsi que les appareils pour la mise en oeuvre de ces procédés ne sont pas toujours adaptés à ces caractéristiques particulières des substances à traiter, de sorte que leur efficacité est parfois réduite ainsi que leur rendement. L'énergie à mettre en oeuvre pour obtenir des résultats acceptables est souvent importante, notamment pour des substances difficiles à traiter telles que les substances très visqueuses ou très chargées en particules à séparer. L'invention se propose de pallier ces inconvénients en offrant un procédé ainsi qu'un appareil perfectionnés qui permettent d'accroître dans des proportions importantes le rendement des processus de filtration et de séparation en favorisant 1' écoulement turbulent ou laminaire par réduction de la viscosité apparente de liquides visqueux ou fortement chargés en particules solides, et en réduisant les contraintes de cisaillement à l'intérieur de ces liquides. Ce but est atteint par le procédé selon l'invention, caractérisé en ce l'on soumet ces substances à des vibrations de haute fréquence au cours de ce procédé. De façon avantageuse, la fréquence des vibrations de haute fréquence que l'on applique est comprise entre 15 000 et 40 000 Hz et de préférence entre 20 000 et 23 000 Hz. Dans une forme de réalisation préférée du procédé, l'on applique lesdites vibrations de haute fréquence au moyen d'au moins une sonotrode, par l'intermédiaire d' un fluide contenu dans une enveloppe étanche. De préférence, ladite enveloppe périphérique étanche est disposée à 1' intérieur de ladite enceinte contenant lesdites substances, les vibrations de haute fréquence étant transmises aux substances à travers les parois de l'enveloppe. Selon une variante de réalisation, ladite enveloppe étanche est disposée au moins partiellement à la périphérie de ladite enceinte, les vibrations de haute fréquence étant transmises aux substances à travers les parois de l'enceinte. Le but de l'invention est également atteint par l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif agencé pour soumettre ces substances à des vibrations de haute fréquence pendant l'opération de filtration et/ou de séparation. Selon une forme de réalisation avantageuse, le dispositif comporte au moins une sonotrode agencée pour appliquer lesdites vibrations de haute fréquence auxdites substances par l'intermédiaire d'un fluide contenu dans une enveloppe périphérique étanche. Selon une première variante de réalisation, ladite enveloppe périphérique étanche est disposée à l'intérieur de ladite enceinte contenant lesdites substances à traiter. Selon une seconde variante de réalisation, ladite enveloppe périphérique étanche est disposée à l'extérieur de ladite enceinte, au moins partiellement à la périphérie de cette dernière, et constitue un double manteau associé à ladite enceinte, le fluide contenu dans cette enveloppe étant directement en contact avec les parois extérieures de enceinte. Dans une forme de réalisation, 1' apapreil peut comporter une deuxième enveloppe entourant au moins partiellement le double manteau, cette deuxième enveloppe étant vide pour concentrer les vibrations de haute fréquence vers ladite enveloppe périphérique étanche. De façon avantageuse l'appareil comporte au moins un élément de filtration monté sur un double fond et/ou sur un support contenant du liquide et une sonotrode directement en contact avec ledit liquide du double fond et/ou du support. Il peut également comporter à la fois une sonotrode directement en contact avec un liquide contenu dans une enveloppe périphérique étanche et une sonotrode en contact avec un liquide contenu dans un organe de support portant au moins un élément de filtration. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'une série de formes de réalisation d'appareils selon l'invention et aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente une première forme de réalisation d'un appareil séparateur selon l'invention, - la figure 2 représente une variante de réalisation de l'appareil de la figure 1, - la figure 3 représente une forme de réalisation d'un filtre à bougies selon l'invention, - la figure 4 représente une autre forme de réalisation d' un filtre à bougies selon l'invention, - la figure 5 représente une vue partielle d' une forme de réalisation d'un filtre à plaques filtrantes verticales selon l'invention, - la figure 6 représente une forme de réalisation d'un filtre à plaques filtrantes horizontales selon l'invention, - la figure 7 représente une forme de réalisation d'un filtre à plaques filtrantes verticales selon l'invention - la figure 8 représente une première forme de réalisation d'un filtre à palette rotative, - la figure 9 représente une variante de réalisation du filtre de la figure 8, - la figure 10 représente une autre forme de réalisation d'un filtre à tambour rotatif, - la figure 11 représente une autre forme de réalisation d'un filtre selon l'invention, - la figure 12 représente un filtre similaire à celui de la figure 11, - la figure 13 représente un filtre à circulation continue, - la figure 14 représente une autre variante de filtre selon l'invention, - la figure 15 représente un récipient destiné à contenir une substance homogénéisée, et - la figure 16 représente un mélangeur statique. L'appareil 10 représenté par la figure 1 est un appareil séparateur qui comporte une cuve 11 contenant une substance 12 liquide ou pâteuse qui se compose de préférence d' un mélange de composants, comme par exemple une substance de base contenant des particules ou des bulles d'un gaz, qu'il convient de fractionner ou anéantir par une cavitation induite par des ultrasons. Ces particules peuvent par exemple être des bactéries dont on parvient à détruire l'enveloppe par l'action d'ultrasons, et par conséquent à neutraliser. Autour de la paroi latérale, la cuve 11 comporte une enveloppe périphérique 13, pour réaliser un réservoir à double manteau. L'enveloppe périphérique 13 contient un liquide 14 tel que de l'eau, de l'huile utilisée comme caloporteur, un liquide réfrigérant, ou similaire. La cuve est pourvue d'un orifice d'entrée 15 et d'un orifice d'évacuation 16. L'enveloppe périphérique 13 comporte également une entrée 17 et une sortie 18, les deux orifices pouvant d'ailleurs être interchangés. Une sonotrode 19 est montée sur l'enveloppe périphérique 13 de telle manière qu'elle n'entre en contact qu'avec le liquide 14 contenu dans cette enveloppe. De cette manière on évite tout contact entre la substance à traiter et la sonotrode, ce qui permet d'éviter la réalisation de sonotrodes spéciales en fonction des substances 12 contenues dans la cuve 11, pour empêcher la corrosion. La transmission des vibrations de haute fréquence s'effectue très bien par l'intermédiaire du liquide 14 dans la substance 12. L'intension des vibrations dépend de la puissance de la sonotrode choisie et l'effet obtenu peut être différent de cas en cas. Un des effets peut être la fluidification de substances très visqueuses c'està-dire une diminution de la viscosité apparente. On notera qu'une deuxième enveloppe 13a peut être prévue à la périphérie de la première enveloppe. Elle peut constituer une chambre à vide pour concentrer les vibrations de haute fréquence en direction du produit et limiter leur perte vers 1' extérieur La figure 2 représente une variante de réalisation de l'appareil de la figure 1. Cet appareil comporte comme précédemment une cuve 11, contenant une substance 12, une enveloppe 13 qui ne contient pas de liquide, mais qui pourrait, comme précédemment être remplie d'un liquide de transmission des vibrations de haute fréquence, pour autant qu'une sonotrode appropriée soit associée à cette enveloppe. Dans ce cas, la partie supérieure de la cuve porte une sonotrode 19 qui est associée à un tube plongeur 20 contenant un liquide 21 de transmission des vibrations de haute fréquence. Ce tube plongeur plonge dans la substance à traiter 12 à laquelle il transmet les vibrations. La figure 3 représente un appareil pour filtrer des substances liquides ou pâteuses plus ou moins chargées de composants ou de particules solides qu' il convient de séparer soit pour les récupérer soit pour les éliminer. Il s'agit en l'occurrence d'un filtre statique à bougies suspendues. Ce type de filtre, bien connu aussi bien pour ses applications en laboratoire ou dans l'industrie, est de réalisation simple et présente une grande efficacité ainsi qu'un rapport qualité/prix très favorable vu la grande surface de filtration qu'il présente, l'absence de pièces en rotation et la possibilité de travailler dans une enceinte hermétiquement fermée. Le filtre 30 représenté comporte une enceinte 31 à l'intérieur de laquelle sont suspendues des bougies filtrantes 32. La partie inférieure de l'enceinte est de forme conique en vue de la récupération du gâteau composé des résidus de filtration. Cette récupération est indiquée par la flèche 33. L'entrée de la substance à filtrer est représentée schématiquement par la flèche 34 et la sortie du filtrat est représentée par la flèche 35. On notera que l'enceinte est entourée d'une enveloppe 36 qui contient un liquide 37 de transmission des vibrations de haute fréquence générées par une sonotrode 19 qui est montée sur l'enveloppe pour être directement en contact avec le liquide 37. Un couvercle 38 permet de fermer l'enceinte de filtration de manière étanche. Selon un autre mode de réalisation qui dérive de celui de la figure 3, les bougies sont dressées au lieu d'être suspendues. Le fonctionnement du filtre est sensiblement le même dans les deux cas, surtout en ce qui concerne la transmission des vibrations de haute fréquence. L'application de ces vibrations a pour but de fluidifier la substance à filtrer, et augmente de manière considérable l'efficacité du filtre en secouant les membranes filtrantes pour empêcher un colmatage prématuré au cours du processus. Les particules solides sont mises en mouvement à proximité de la surface des membranes et ne peuvent pas s'agglomérer pour boucher les passages du filtrat. Les cycles de filtration et de décolmatage peuvent être espacés. La vitesse de filtration est augmentée. Une variante de cette construction est représentée par la figure 4. On notera que dans cette réalisation, les bougies de filtration du filtre à bougies 40 sont associées à un double fond 41 rempli d'un liquide 42 de transmission des vibrations à haute fréquence générées par une deuxième sonotrode 43. Cette réalisation permet de transmettre très directement et avec une grande efficacité, les vibrations aux membranes filtrantes. La figure 5 représente une variante de réalisation d' un filtre à bougies 50 partiellement illustrée selon laquelle une bougie filtrante 51 est directement suspendue à un tube 52 rempli d' un liquide 53 qui est en contact avec une sonotrode 19 qui génère des vibrations de haute fréquence. A l'intérieur de la bougie est disposé un tube 54 d'évacuation du filtrat qui est aspiré par une pompe dans le sens de la flèche 55. Ce montage permet de transmettre directement les vibrations à la membrane filtrante. La figure 6 représente un filtre 60 à plaques horizontales 61 montées dans une cuve 62 entourée d'une enveloppe 63 qui contient un liquide 64 pour transmettre les vibrations de haute fréquence générées par une sonotrode 19 montée sur ladite enveloppe. D'une manière connue en soi, ces filtres sont statiques pendant l'opération de filtration. Les plaques, montées sur un arbre creux central 65, sont entraînées en rotation par un moteur 66 pendant le nettoyage des plaques, le gâteau de substances résiduelles étant projeté par centrifugation contre les parois intérieures et récupéré au bas de la cuve 62. Le filtre 70 à plaques verticales 71 représenté par la figure 7 est également d'un type connu en soi. Selon l'invention, l'enceinte 72 du filtre à plaques 70 est partiellement entourée d'une enveloppe 73 sur laquelle est montée une sonotrode 19 agencée pour transmettre des vibrations de haute fréquence à un liquide 74 contenu dans ladite enveloppe. Dans ce type de filtre, également appelé filtre-presse, les plaques sont de préférence une série de membranes qui sont changées à chaque cycle de filtration. C'est pourquoi elles sont suspendues à un support 75 porté par un chariot mobile qui se déplace sur des rails d'un bâti 77. La figure 8 représente une première forme de réalisation d' un filtre 80 à palette rotative. Ce filtre se compose d'une enceinte 81 dans laquelle est montée un élément de filtration 82, du type membrane ou plaque perforée ou similaire, disposé horizontalement, à proximité du fond de cette enceinte. Une palette rotative 83 entraînée en rotation par un axe 84 monté à la sortie d'un moteur électrique 85, assure un brassage mécanique de la substance à filtrer juste au-dessus de l' élément de filtration 82. Le filtrat est évacué par un conduit 86 qui est connecté à la cuve en dessous de 1 élément de filtration et la matière résiduelle ou gâteau est évacuée latéralement à travers une chambre réceptrice 87 dont la porte de communication 88 avec l'enceinte 81 peut être ouverte. L'enceinte 81 est partiellement entourée d'une enveloppe 89 remplie d'un liquide qui est directement en communication avec une sonotrode 19 agencée pour émettre des vibrations de haute fréquence au filtre 80 et à son contenu. Une deuxième sonotrode 19a peut être prévue et montée en communication avec un liquide 91 contenu dans un double fond 92. La figure 9 représente une variante de réalisation du filtre de la figure 8. Tous les composants mentionnés précédemment et qui se retrouvent dans cette réalisation portent les mêmes numéros de référence. On notera que la sonotrode 19 est accouplée à une enveloppe 93 qui entoure partiellement le conduit d'évacuation 86 du filtrat et qui est remplie d'un liquide 94. Cette disposition de la sonotrode peut être prévue en supplément une sonotrode couplée à 1' enveloppe 89 ou en remplacement de cette dernière. Dans ce dernier cas, l' enveloppe 89 ne contient de préférence pas de liquide 90, à moins que ce dernier soit utilisé à des fins de chauffage ou de refroidissement. La présence de la palette rotative 83 dans les deux filtres selon les figures 8 et 9 n'est pas obligatoire. On pourrait envisager de réaliser des filtres ne comportant qu'un ou plusieurs éléments de filtration 82 montés parallèlement au fond de l'enceinte et disposés horizontalement La figure 10 représente une autre forme de filtre appelé filtre sous vide à tambour rotatif. Ce filtre 100 comporte un bac 101 dans lequel on déverse la substance à filtrer, par exemple une suspension amenée par un conduit 102. Ce bac comporte une enveloppe 103 contenant un liquide et une sonotrode 19 est connectée à cette enveloppe. Le filtrat est évacué par le moyeu 104 d' un tambour rotatif 105 soumis au vide et dont la paroi périphérique est recouverte d' une membrane de filtration 106. Les résidus de filtration ou gâteau sont évacués par un racleur 107 via un dispositif d' évacuation 108. Un conduit d'évacuation 109 du filtrat est connecté au moyeu 104. Un conduit de vidange 110 équipe le fond du bac 101. La figure 11 représente un filtre 120 comportant un récipient 121 pourvu d'une enveloppe 122 contenant un liquide 123 et auquel est connectée une sonotrode 19. Un support 124 porte un filtre de profondeur 125, tel que par exemple du sable. Une tubulure de tropplein 126 est montée à l'intérieur du récipient. Le filtrat est évacué par un conduit 127 qui peut être mis en communication avec un conduit de rinçage 128. La figure 12 représente un filtre 130 sensiblement similaire au filtre de la figure précédente. Un élément de filtration 131, par exemple une membrane, est monté sur une enveloppe 132 remplie d'un liquide 133 qui est directement en contact avec une sonotrode 19. Le filtrat est recueilli par un conduit d'évacuation 134 couplé à un conduit de rinçage 135. La figure 13 représente un filtre à circulation continue 140 composé d'un récipient 141 divisé en deux chambres 142 et 143 séparées par un élément de filtration 144. La suspension à traiter est introduite par un orifice 145, le filtrat est évacué par un conduit 146 et la solution concentrée s'échappe par un orifice 147. Une enveloppe 148 remplie d'un liquide 149 entoure le récipient 141. Une sonotrode 19 est directement en contact avec le liquide 149. La figure 14 représente un filtre 150 comportant un récipient 151 dans lequel est monté un élément de filtration statique 152 et un élément de filtration dynamique 153, entraîné en rotation autour d'un axe vertical 154, par un arbre entraîné 155. Le récipient est entouré d'une enveloppe 156 contenant un liquide 157 qui est directement en contact avec une sonotrode 19. Le filtrat est évacué par des conduits 158 et 159. La figure 15 représente un récipient 160 destiné à contenir une substance à homogénéiser et/ou dont il convient de séparer des composants comme par exemple des bulles d'air. Il comporte un agitateur 161 actionné en rotation par un moteur électrique 162. Une enveloppe 163 est remplie de liquide qui est directement en contact avec une sonotrode 19. La figure 16 représente un mélangeur statique 170 comportant un récipient 171 parcouru par une substance pénétrant par un orifice 172 et sortant par un orifice 173. A l'intérieur est monté un assemblage de grilles ou d'éléments poreux 174. Une enveloppe 175 remplie d'un liquide 176 entoure le récipient. Une sonotrode 19 est directement en contact avec le liquide 176. L'invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites et représentées. Elle s'étend à des variantes évidentes pour l'homme du métier. En particulier, toutes les constructions peuvent comporter une deuxième enveloppe vide qui a pour but de concentrer les vibrations de haute fréquence vers l'intérieur du récipient du séparateur ou du filtre pour augmenter l'efficacité de traitement. D'autre part, les vibrations peuvent, de cas en cas, être appliquées directement sur les membranes filtrantes pour assurer un décolmatage permanent de ces membranes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour filtrer des substances liquides ou pâteuses et/ou pour séparer des composants et/ou des particules incluses dans ces substances, ces substances étant contenues ou traversant une enceinte d'un filtre et/ou d'un séparateur, caractérisé en ce que l'on soumet ces substances à des vibrations de haute fréquence au cours de ce procédé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence des vibrations de haute fréquence que l'on applique est comprise entre 15 000 et 40 000 Hz et de préférence entre 20 000 et 23 000 Hz. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique lesdites vibrations de haute fréquence au moyen d'au moins une sonotrode, par l'intermédiaire d'un fluide contenu dans une enveloppe étanche. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite enveloppe étanche est disposée à l'intérieur de ladite enceinte contenant lesdites substances, les vibrations de haute fréquence étant transmises aux substances à travers les parois de l'enveloppe. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite enveloppe étanche est disposée au moins partiellement à la périphérie de ladite enceinte, les vibrations de haute fréquence étant transmises aux substances à travers les parois de l'enceinte. 6. Appareil pour filtrer des substances liquides ou pâteuses et/ou pour séparer des composants de ces substances et/ou des particules incluses dans ces substances, cet appareil comportant au moins une enceinte contenant les substances ou traversée par elles, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif agencé pour soumettre ces substances à des vibrations de haute fréquence pendant l'opération de filtration et/ou de séparation. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins une sonotrode (19) agencée pour appliquer lesdites vibrations de haute fréquence auxdites substances par l'intermédiaire d'un fluide contenu dans une enveloppe périphérique étanche. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite enveloppe périphérique (13) étanche est disposée à l'intérieur de ladite enceinte contenant lesdites substances à traiter. 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite enveloppe périphérique étanche est disposée à l'extérieur de ladite enceinte, au moins partiellement à la périphérie de cette dernière. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite enveloppe périphérique étanche constitue un double manteau associé à ladite enceinte, le fluide contenu dans cette enveloppe étant directement en contact avec les parois extérieures de l'enceinte. 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième enveloppe ( 1 3a) entourant au moins partiellement le double manteau, cette deuxième enveloppe étant vide pour concentrer les vibrations de haute fréquence vers ladite enveloppe périphérique étanche. 12. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de filtration (140) monté sur un double fond (41) et/ou sur un support contenant du liquide (142) et une sonotrode (43) directement en contact avec ledit liquide du double fond et/ou du support. 13. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte à la fois une sonotrode (19) directement en contact avec un liquide contenu dans une enveloppe périphérique (89) étanche et une sonotrode (19a) en contact avec un liquide (91) contenu dans un organe de support portant au moins un élément de filtration.