Brevet FR2777801A1 — publié le 19991029

La présente invention concerne le domaine des séparateurs et plus spécifiquement des moyens destinés à séparer des gouttelettes ou des particules d'un courant gazeux, dont la taille est inférieure ou de l'ordre d'un micromètre. De nombreuses méthodes et dispositifs ont déjà été divulgués à cet effet. Le brevet US 5 626 651 décrit un procédé et un système de ce type selon lequel le courant gazeux turbulent s'écoule au-dessus d'une série de plaques définissant des zones non turbulentes dans lesquelles les particules sont capturées. Plus précisément les plaques sont parallèles entre elles et verticales. Un moyen de filtration constitué de fibres peut en outre être prévu entre lesdites plaques afin d'améliorer la filtration notamment des particules les plus fines. La demande de brevet internationale WO 95/28217 décrit un dispositif qui repose sur le même fondement mais selon lequel les plaques sont munies de fentes ou bien sont remplacées par des grilles. Des carcasses grillagées enserrant un matelas fibreux sont en outre utilisées dans cet art antérieur. Par ailleurs la demande de brevet WO 97/00102 concerne un séparateur placé à l'échappement de moteurs diesel afin de recueillir les particules contenues dans les gaz d'échappement. Une structure en nid d'abeille percée de canaux perpendiculaires à l'ouverture des cellules en nid d'abeille est préférentiellement prévue. La porosité d'une telle structure est de l'ordre de 70 %. Cependant ce dispositif ne peut être utilisé pour des brouillards car les gouttelettes capturées dans les cellules ne peuvent être éliminées par drainage. On connaît aussi la demande de brevet internationale PCT/FR97/00164 concernant un séparateur pour des brouillards, ayant un ou plusieurs canaux d'écoulement verticaux latéralement délimités par des éléments plissés fibreux. Un agglomérateur est en outre nécessairement placé en amont du séparateur afin d'avoir des particules de plus grosses taille susceptibles d'être séparées au niveau du séparateur. Ceci est donc relativement coûteux et implique des pertes de pression non négligeables. Ces moyens connus ne permettent cependant pas de capturer et d'éliminer efficacement des particules et/ou gouttelettes de taille inférieure à environ un micromètre: dans le brevet US 5 626 651, les particules captées s'accumulent sur les parois puis tombent par gravité au fond du dispositif. Des moyens destinés à secouer les parois sont souvent nécessaires pour faire tomber les particules accumulées sur les parois. Ce dispositif pose problème lorsqu'il s'agit de séparer des particules très fines, de taille inférieure au micromètre. Dans ce cas en effet, la hauteur du canal d'écoulement doit être très petite donc la hauteur des plaques très grande de sorte que l'équipement est très encombrant pour une section d'écoulement très faible. Le même problème existe dans le dispositif selon le document WO 95/28217. Dans la demande de brevet WO 97/00102, les particules capturées sont oxydées. La présente invention prévoit de résoudre le problème de l'élimination des particules et/ou des gouttelettes dont la taille est inférieure ou de l'ordre d'un micromètre d'une façon originale et inattendue, telle qu'expliquée ci- après. De façon avantageuse, la présente invention évite toute perte de charge due' à un encrassement d'une zone du dispositif; La chute de pression reste constante tout au long de la vie du séparateur selon l'invention. La présente invention permet d'éliminer des particules présentes par exemple dans des gaz d'échappement de véhicules équipés de moteurs diesel, dans les poussières d'espaces intérieurs plus ou moins confinés, dans des fumées de toutes sortes telles que des fumées métallurgiques, ou des vapeurs acides. La structure globale de l'invention peut être celle décrite dans la demande de brevet WO 97/00102 ou encore dans la demande de brevet français EN. 97/12867 déposées au nom du demandeur. D'autres matériaux supports peuvent en outre être utilisés comme il sera explicité ci-après. Vis-à-vis des réalisations ci-dessus énumérées, le taux de captation des particules peut être augmenté de façon très significative grâce à l'invention. Ainsi la présente invention a pour objet un séparateur mécanique destiné à capturer des particules contenues dans des effluents gazeux et de taille inférieure ou de l'ordre du micromètre, comprenant au moins un canal d'écoulement en état turbulent des effluents, de préférence plusieurs canaux parallèles, formés dans une structure poreuse ayant des surfaces de capture des particules. Le séparateur selon l'invention comprend en outre un ensemble de petits éléments formés de fibres ultrafines, lesdits éléments étant solidarisés de façon permanente à la fois entre eux et à la surface desdites surfaces collectrices de particules. Plus précisément, lesdites fibres présentent un diamètre de l'ordre d'un micromètre. En outre, lesdites fibres présentent une longueur inférieure à environ un millimètre. Conformément à l'invention, lesdits éléments solidarisés forment une couche d'une épaisseur inférieure à environ un millimètre. En accord avec un mode de réalisation de l'invention, la structure poreuse comprend un nid d'abeille en céramique. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la structure poreuse comprend une mousse réticulée de polyuréthanne. Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, la structure poreuse comprend une mousse réticulée céramique faite dans un groupe comprenant l'alumine, la cordiérite, la mullite, le zircone, le sialon, le carbure de silicium. De façon plus précise, ladite mousse réticulée céramique présente une porosité comprise entre 70 % et 90 %. De façon particulière, le séparateur selon l'invention présente une longueur comprise entre environ 10 cm et environ 100 cm. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le séparateur comprend plusieurs canaux parallèles ou sensiblement parallèles entre eux. De préférence, le nombre de canaux d'écoulement est proportionnel au débit des effluents gazeux. L'invention vise en outre un procédé de fabrication d'un séparateur tel qu'exposé ci-avant. Le procédé conforme à l'invention comprend les étapes suivantes - tremper une structure poreuse comprenant des canaux d'écoulement dans une première solution; - sortir ladite structure de la première solution; - faire passer un flux d'air pendant environ une heure à travers les canaux de ladite structure; - disperser des petits éléments de fibres ultrafines dans le flux d'air; - laisser les petits éléments se déposer de l'air turbulent sur les surfaces collectrices de la structure poreuse; - placer le séparateur dans un four séchant pendant environ 1 heure. En outre, après le dépôt des petits élément fibreux sur les surfaces collectrices, on évide lesdits canaux sur leur section interne initiale, en coupant les petits éléments fibreux qui en dépassent. La première solution peut être formée d'un mélange de silane dans un solvant d'hydrocarbures. Sans sortir du cadre de l'invention, ladite première solution peut être formée d'un mélange d'eau, de silicate de sodium et de glycole éthylène. D'autres caractéristiques, détails, avantages liés à la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 est une perspective simplifiée de l'invention; - La figure 2 est une perspective simplifiée d'un mode de réalisation de l'invention en nid d'abeille, en céramique; et - La figure 3 est une coupe transversale d'un canal selon le mode de réalisation de l'invention de la figure 2. La figure 1 illustre schématiquement une partie, vue en perspective d'un séparateur selon l'invention. Celui-ci peut être formé de façcon connue, d'un monolithe en nid d'abeille, en céramique 2 percé d'une multitude de canaux 1; il peut aussi être formé d'un matériau spongieux percé d'une multitude de canaux 1. Les canaux sont préférentiellement parallèles entre eux. Le flux en état turbulent s'écoule classiquement à travers les canaux selon la flèche A. Conformément à l'invention, un ensemble de petits éléments 3 formés de fibres ultrafines est solidarisé de façon permanente sur les surfaces collectrices de particules c'est-à-dire sur les surfaces internes à la structure poreuse 2. Sur la figure 1, les petits éléments 3 apparaissent, pour des raisons de clarté, uniquement à travers l'un des canaux 1. Préférentiellement, afin notamment de ne pas créer de perte de charge, les canaux 1 sont évidés sur leur section initiale afin de conserver un passage libre pour les effluents. La figure 2 montre un séparateur dont la structure poreuse 2 est réalisée à partir d'un monolithe en nid d'abeille, en céramique. Pour des raisons de clarté, les petits éléments 3 n'y ont pas été représenté. Ce type de structure est utilisé de façon connue dans les convertisseurs catalytiques d'automobiles. Le monolithe est ainsi constitué de capillaires d'environ 1 mm. Des canaux sont forés dans lesdites structures. Un séparateur selon ce mode de réalisation de l'invention a une longueur d'environ 20 cm; il comprend environ 90 canaux d'écoulement ayant chacun un diamètre d'environ 5 mm. La figure 3 montre, à plus grande échelle, I'arrangement particulier selon l'invention, au niveau d'un canal 1 o circulent les effluents gazeux. Le canal 1 est dégagé des petits éléments 3 qui sont collés sur les surfaces collectrices 4, renforçant ainsi la surface de captation des particules. Lesdites surfaces collectrices 4 ont ainsi l'aspect d'une pelouse, avec de fines pointes qui en dépassent irrégulièrement. Des résultats d'essais très satisfaisants ont été obtenus avec des fibres en kaowool (marque déposée) ayant environ 1!tm de diamètre d'une longueur inférieure à 1 mm. Le séparateur mesurait 20 cm de longueur et comprenait 90 canaux parallèles ayant chacun un diamètre de 5,3 mm. Ainsi, des particules de 0,5 Iam de diamètre ont pu être capturées avec un rendement d'environ 50 % alors que le rendement est de l'ordre de % avec un séparateur connu, toutes choses égales par ailleurs. Selon l'invention, les fibres peuvent garder toute leur capacité et leur efficacité pour des températures de fonctionnement allant jusqu'à un peu plus de 1000 C. La fabrication du séparateur selon l'invention nécessite les étapes suivantes: La structure poreuse est trempée dans une solution de silane (marque déposée) dans un solvant hydrocarboné; puis de l'air chargé en fibres de kaowool est insufflé à travers les canaux 1 pendant environ une heure. Ainsi les fibres 3 se déposent de l'écoulement turbulent sur les surfaces collectrices 4 de la structure poreuse 2. Lorsqu'une certaine épaisseur de fibres est déposée, les canaux 1 sont évidés par tout moyen connu en soi afin de garantir la section initiale de passage. Ceci élimine notamment les fibres qui pourraient dépasser dans les canaux 1. Puis le séparateur est placé dans un four de séchage, pendant environ une heure. Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres substances peuvent être choisies comme colle, afin que les éléments fibreux 3 adhèrent en permanence aux surfaces collectrices 4. Ainsi, une solution de silicate de sodium additionnée d'eau à laquelle on ajoute du glycol éthylène peut être utilisée. Cette solution permet de ralentir le taux de séchage et de solidification du silicate de sodium. Le séparateur peut alors supporter des températures de l'ordre de 11 00 0C. Plus généralement, pour des applications à haute température (c'est- à-dire de l'ordre de plus 1000 C), on choisira des fibres en céramiques ou en verre. Pour des températures plus modérées (de l'ordre de ou moins de 1000C) les fibres peuvent être constituées de matériaux naturels ou synthétiques tels que des polyesters. D'une façon générale, plus les particules à capter sont petites, plus l'amélioration de l'efficacité du séparateur selon l'invention est grande. REVENDICATIONS 1) Séparateur mécanique destiné à capturer des particules contenues dans des effluents gazeux et de taille inférieure ou de l'ordre du micromètre, comprenant au moins un canal d'écoulement (1), en état turbulent, des effluents, le ou lesdits canaux étant formés dans une structure poreuse (2) ayant des surfaces (4) de capture des particules, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ensemble de petits éléments (3) formés de fibres ultrafines, lesdits éléments étant solidarisés à la fois entre eux et à la surface desdites surfaces collectrices de particules (4). 2) Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites fibres (3) présentent un diamètre de l'ordre d'un micromètre. 3) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites fibres (3) présentent une longueur inférieure à environ un millimètre. 4) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments solidarisés forment une couche d'une épaisseur inférieure à environ 1 mm. ) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure poreuse (2) comprend un nid d'abeille, en céramique. 6) Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure poreuse (2) comprend une mousse réticulée céramique faite dans un groupe comprenant l'alumine, la cordiérite, la mullite, le zircone, le sialon, le carbure de silicium. 7) Séparateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite mousse réticulée céramique (2) présente une porosité comprise entre 70 % et 90 %. 8) Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure poreuse (2) comprend une mousse réticulée de polyuréthanne. 9) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une longueur entre environ 10 cm et environ 100 cm. 10) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs canaux parallèles ou sensiblement parallèles entre eux. 11) Séparateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le nombre de canaux d'écoulement (1) est proportionnel au débit des effluents gazeux. 12) Procédé de fabrication d'un séparateur mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes: - tremper une structure poreuse (2) comprenant des canaux d'écoulement (1) dans une première solution; - sortir ladite structure (2) de la première solution; - faire passer un flux d'air pendant environ une heure à travers les canaux (1) de ladite structure (2); - disperser des petits éléments (3) de fibres ultrafines dans le flux d'air; - laisser les petits éléments (3) se déposer de l'écoulement turbulent sur les surfaces collectrices (4) de la structure poreuse; - placer le séparateur dans un four séchant pendant environ 1 heure. 13) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, après le dépôt des petits élément fibreux (3) sur les surfaces collectrices (4), on évide lesdits canaux (1) sur leur section interne initiale, en coupant petits éléments fibreux qui en dépassent. 14) Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que ladite première solution est formée d'un mélange de 1 O silane dans un solvant d'hydrocarbures. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que ladite première solution est formée d'un mélange d'eau, de silicate de sodium et de glycol éthylène.