Brevet FR2821281A1 — publié le 20020830

La présente invention concerne le domaine des séparateurs et plus spécifiquement des moyens destinés à séparer des particules, sous forme solide ou liquide, d'un courant gazeux et 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 se rapporte à un séparateur placé à l'échappement de moteurs de type Diesel afin de recueillir les particules contenues dans les gaz d'échappement. Pour cela une structure en nid d'abeille est percée de canaux perpendiculaires à l'ouverture des cellules en nid d'abeille avec une porosité d'une telle structure de l'ordre de 70 %. Cependant, il a pu être constaté que ce type de séparateur ne pas peut être utilisé pour des brouillards car les gouttelettes capturées dans la matière ne peuvent pas être éliminées par drainage. On connaît aussi la demande de brevet internationale WO 97/27928 concernant un séparateur ayant un ou plusieurs canaux d'écoulement verticaux latéralement délimités par des éléments plissés fibreux. Dans ce document, il est prévu de disposer un agglomérateur nécessairement placé en amont du séparateur afin d'avoir des particules de plus grosses tailles susceptibles d'être séparées au niveau du séparateur. Ceci est donc relativement coûteux et implique des pertes de pression non négligeables. Dans le brevet US 5 626 651, les particules capturées 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, la hauteur du canal d'écoulement doit être très petite et 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. Ces moyens connus ne permettent cependant pas de capturer et d'éliminer efficacement des particules sous forme liquide ou solide de taille inférieure à environ un micromètre. Dans la demande de brevet WO 99/19044 publiée au nom de la demanderesse, il est décrit un séparateur formé d'une mousse comprenant des canaux destinés à l'écoulement en état turbulent des effluents gazeux qui permet de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Cependant, la demanderesse a poursuivi ses recherches dans le domaine de la séparation et a pu mettre au point un dispositif améliorant de manière significative la séparation de particules de très petites dimensions présentes dans les effluents gazeux. Dans le cadre de ses recherches, il a pu être constaté que lorsqu'un effluent gazeux en état turbulent contenant de particules en suspension traverse un canal 2 de diamètre D prévu dans une matière poreuse 1 (voir figure 1), la couche limite de cet effluent pénètre à partir du bord périphérique délimitant ce canal vers l'intérieur de la matière poreuse sur une épaisseur L d'une strate périphérique 3 et, de part les remous turbulents que génère cet effluent, les particules sont transportées dans cette strate 3 où elles sont captées par les fibres des pores de la matière poreuse. Grâce à cela, le canal 2 reste libre de toute entrave ce qui permet à l'effluent gazeux de s'écouler tout au long du canal avec une perte de charge et un débit constant car l'accumulation de particules captées se situe dans un espace annulaire entourant ce canal. Ainsi, la présente invention vise un séparateur en matière poreuse destiné à traiter de manière optimale des effluents gazeux contenant des particules liquides ou solides de taille sensiblement inférieure à un micromètre, voire de l'ordre du micromètre. Selon l'invention, un séparateur en matière poreuse destiné à traiter des effluents gazeux contenant des particules de taille sensiblement inférieure à un micromètre ou de l'ordre d'un micromètre et comprenant des canaux destinés à l'écoulement en état turbulent desdits effluents d'une extrémité à l'autre desdits canaux est caractérisé en ce que les canaux sont délimités par une matière poreuse en feutre. La porosité de ladite matière peut être comprise entre 90 % et 99 %. La taille des pores formant ladite matière peut être comprise entre environ 0,1 mm et environ 5 mm. Le diamètre des filaments du feutre formant ladite matière peut être compris entre 2 ! lm et 100 p. m. Le diamètre des canaux traversant ladite matière peut être compris entre 3 et 15 mm. Les canaux peuvent présenter une longueur comprise entre environ 10 cm et environ 200 cm. Le matériau des filaments peut être un matériau synthétique. Le matériau des filaments peut être un matériau céramique. La matière poreuse peut être sous forme de feuille en feutre. La matière poreuse peut être réalisée par empilage de feuilles les unes sur les autres. Au moins une feuille est disposée sensiblement parallèle et à distance d'au moins une autre feuille. Les feuilles sont disposées à distance les unes des autres par moyens d'entretoisement. Au moins deux sous-ensembles d'au moins deux feuilles peuvent être disposées à distance les uns des autres. Des moyens de support de feuille peuvent être prévus en regard d'au moins une face d'au moins une feuille. Les moyens de support peuvent comporter une lame imperméable de même étendue surfacique que les feuilles et portant des orifices en concordance des canaux des feuilles. La présente invention se rapporte également à un appareil destiné à séparer des particules contenues dans un effluent gazeux et comprenant une enceinte ayant une entrée et une sortie, au moins un canal droit, complètement libre, non obturé, ouvert à ses deux extrémités et destiné à laisser passer ledit effluent gazeux en état turbulent de l'entrée vers la sortie et un séparateur constitué d'une matière poreuse qui définit les parois desdits canaux et qui remplit tout l'espace entre lesdits canaux. Cet appareil peut comprendre en outre un moyen pour secouer ladite matière afin de faire tomber les particules retenues à l'intérieur de ladite matière. D'autres avantages, caractéristiques et améliorations selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux figures annexées selon lesquelles : - La figure 1 est une vue en coupe transversale à grande échelle montrant un canal d'un séparateur ; - la figure 2 est une perspective d'une partie d'un séparateur selon l'invention ; - la figure 3 est une coupe longitudinale schématique d'un appareil selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective montrant un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue avec coupes locales montrant encore une variante de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue en perspective montrant une autre variante de réalisation de l'invention. La figure 2 montre un corps 1 de séparateur constitué selon l'invention par une matière poreuse en feutre. Par feutre, il est entendu, une matière poreuse constituée de filaments sous forme de fibres ou de fils qui sont intimement enchevêtrées et cela sans tissage ni filature. Le matériau des filaments utilisé peut avantageusement être un matériau synthétique telle que du polyester ou du polypropylène ou encore un matériau céramique. Les matières poreuses visées par l'invention sont constituées de petits pores et dont la porosité est comprise entre 90 et 99 %. La taille des pores varie entre environ 0,1 mm et environ 5 mm et le diamètre des filaments est compris entre 2 ! lm et 100 um mais un diamètre de filaments compris entre 2 et 20 um peut parfois être préféré. Par ailleurs, comme visible sur cette figure, des canaux 2, préférentiellement parallèles entre eux, sont percés ou forés dans le corps en feutre 1 et permettent l'écoulement d'un fluide selon les flèches A de la figure 2. Les canaux 2 présentent ici un diamètre compris entre 3 et 15 mm et la distance entre deux canaux peut être comprise entre environ 3 mm jusqu'à environ 20 mm. La section transversale occupée par les canaux d'écoulement 2 représente entre 15 et 50 % de la section transversale totale dudit corps. La section des canaux est préférentiellement circulaire, comme illustré sur la figure 2, mais les sections des canaux peuvent présenter une autre forme sans sortir du cadre de l'invention. La disposition générale des canaux peut être telle qu'un réseau quadrillé de canaux parallèles est formé mais un réseau de canaux ordonnés différemment peut être envisagé sans sortir du cadre de l'invention. A titre illustratif, un essai a été effectué pour séparer des particules liquides, ici des gouttelettes contenues dans un brouillard d'huile, par passage à travers d'un corps en feutre de polyester constitué de fibres d'environ 15 um de diamètre et d'une porosité de 97%, ce qui a eu pour résultat d'arriver à un taux de captation de particules de 99,5%. Un autre essai a été effectué sur la base d'une séparation de gouttelettes contenues dans le même brouillard d'huile avec un corps en feutre de céramique comprenant des fibres d'environ 2 um de diamètre et une porosité de 93% et a permis d'obtenir un taux de captation de 99,8% desdites gouttelettes. Les essais effectués ont permis de mettre à jour que l'épaisseur L de la strate 3 (voir figure 1) du bord périphérique du canal 2 est directement proportionnel au diamètre des fibres (Df) et au diamètre (D) du canal 2, que la valeur du rapport UDf x D est sensiblement égale à une constante et que la valeur de L est sensiblement comprise entre 5 à 10 fois le diamètre des pores. Dans le domaine de la séparation des gouttelettes formant un brouillard, la présente invention présente l'avantage de drainer les gouttelettes qui forment ainsi un liquide qui s'écoule par gravité à travers le corps en feutre. Un exemple d'application est illustré par la figure 3 qui concerne un appareil muni d'un séparateur de brouillard visqueux. Un mélange de gaz et de brouillard huileux arrive selon la flèche B de la figure 3 dans une enceinte 4 qui contient le corps 1 en feutre. Le mélange traverse l'ensemble des canaux 2 percés de manière sensiblement horizontale à travers le corps 1 et ressort de l'enceinte 4 selon la flèche C à l'autre extrémité des canaux 2 après que les gouttelettes d'huile contenues dans ce brouillard se soient déposées dans lesdits canaux. Le drainage du liquide formé après déposition des gouttelettes, comme obtenu selon l'invention, permet à l'huile d'être collectée au fond de l'enceinte 4. Cette huile peut elle-même être évacuée et stockée dans un réservoir ou tout autre moyen spécifique tel que celui référencé en 5. Ainsi l'huile capturée par les fils ou les fibres formant le feutre s'écoule au fond du dispositif sensiblement au même débit qu'elle est absorbée. Vis-à-vis des séparateurs constitués de matelas fibreux ou autres, la présente invention permet de se passer de carcasse ou autre élément de maintien du matelas, puisque le feutre est suffisamment rigide à l'origine pour être perforé par tout moyen connu en soi. De plus, une grande précision dans la réalisation des canaux peut être obtenue. Le dispositif selon l'invention est aussi adapté à la séparation de fumées d'effluents gazeux car les dépôts se font alors sur les fils ou fibres du feutre où ils forment une couche solide ou bitumineuse. Les particules étant présentes dans de faibles concentrations, le nettoyage et/ou le remplacement du feutre est très peu fréquent. Ce nettoyage est effectué, à titre d'exemple, lors d'opération visant à faire vibrer ou à secouer le feutre de manière à ce que les particules, qui y sont contenues, puissent être évacuées et ensuite récupérées par tous moyens connus. En outre, sans sortir du cadre de l'invention, le feutre selon l'invention peut être lavé lorsqu'il est sale, puis il est remis en place une fois propre. Le séparateur selon l'invention est également adapté à la séparation de poussières industrielle. Un essai a été effectué dans le cas de séparation de fumées issues de gaz d'échappement de moteur Diesel avec un corps en feutre de fibres céramiques de 2 um de diamètre. Ce corps a une section de 8 cm sur 10 cm et une longueur de 25 cm et porte 54 canaux sensiblement circulaires de 5 mm de diamètre. Durant l'essai, le taux d'écoulement des gaz d'échappement a été de 100m3/h et la perte de charge de 8 kPa et a eu pour résultat de capter 80% de la suie présente dans ces gaz. Un autre essai a été effectué avec des poussières contenues dans de l'air ambiant et pour lequel les résultats ont été particulièrement satisfaisant avec une captation de l'ordre de 82 % de particules d'un diamètre inférieur à 0,5 um. Pour cela, on a utilisé un séparateur constitué d'un corps en feutre de fibres en polypropylène de 20 um de diamètre, chargées d'électricité statique. Ce séparateur avait une section de 11 cm par 25 cm et une longueur de 23 cm et portait 181 canaux circulaires de 5,5 mm de diamètre. Le taux d'écoulement de l'air à travers le séparateur a été d'environ 700m3/h avec une perte de charge de 0,25 kPa environ. Dans une mode de réalisation de l'invention comme représenté à la figure 4, il a été prévu de réaliser les canaux 2 par empilage feuilles 11 en feutre de matière synthétique avec une porosité de 97 % et des diamètres de fibres de l'ordre de 15 um, ledit empilage formant le corps 10 du séparateur. Ces feuilles parallélépipédiques, de préférence toutes identiques, d'environ 0,95 cm d'épaisseur et de section 11 cm par 25 cm de longueur sont percées chacune de 123 trous d'environ 9,5 mm de diamètre, puis empilées les unes sur les autres au nombre de 30 et placées transversalement à la direction d'un effluent gazeux dans un logement d'environ 30,5 cm de long de façon à former un bloc multi-feuilles qui va comporter, de par cet empilage, 123 canaux de diamètre 9,5 mm. Les essais effectués avec ce bloc multi-feuilles a permis d'obtenir un taux de captation de l'ordre de 99,5 % avec une perte de charge de 2,5 kPa (10 in. w. c) et un taux d'écoulement de 250 m3/h (150 CFM) d'un brouillard d'huile contenant des gouttelettes de diamètre inférieur à 1um. De manière préférentielle, les feuilles en feutre peuvent être encore mieux rigidifiées par un traitement spécifique qui va renforcer la cohésion des fibres entre elles. A titre d'exemple, ce traitement consiste à tremper les feuilles, par exemple en feutre de céramique, dans une solution de silane à n-decane puis à éliminer l'excès de solution sur et dans ces feuilles, à les sécher avec de l'air chaud et à faire subir dans un four une pyrolyse au silane de manière graduelle jusqu'à 400 C. Dans un mode préféré de l'invention, il est envisagé de réaliser un empilage de feuilles dans lequel chaque feuille 11 en feutre est maintenue à distance l'une de l'autre, comme cela est visible sur la figure 5, tout en étant disposées sensiblement transversalement à la direction de l'effluent gazeux allant de B vers C. Pour cela, après avoir élaboré des feuilles avec ses trous, comme précédemment décrit, il est prévu de réaliser un orifice 12 au voisinage de chaque coin des feuilles puis de procéder à un empilage de feuilles maintenues à distance les unes des autres par des entretoises 13, ici des entretoises cylindriques tubulaires, disposées en concordance des orifices 12. Une fois cet empilage réalisé, un tirant 14 est glissé à travers les orifices 12 et les entretoises tubulaires 13 pour traverser la totalité de l'empilage puis cet assemblage est immobilisé par des moyens de blocage, tels que des rondelle élastiques autobloquantes 15 de type Belleville, disposées à chaque extrémité libre de chaque tirant. Ainsi on obtient un bloc rigide constitué de feuilles 11 en feutre sensiblement parallèles et disposées à distance les unes des autres. De manière préférentielle, il est prévu de disposer sur au moins une face d'au moins une feuille 11 un moyen de support 16 formant rigidification de la feuille sur laquelle il s'appuie ainsi que canalisation de l'effluent gazeux traversant ladite feuille. De préférence, comme représenté sur les figures 4 et 5, ce moyen de support est disposé en aval de chaque feuille 11, en considérant le sens de circulation de l'effluent gazeux tel que représente par les flèches sur ces figures, et est placé en regard et, préférentiellement, au contact de la face arrière de la feuille, la face avant étant celle qui fait face à l'effluent gazeux. Ce moyen de support se compose d'une lame imperméable rigide 16 de faible épaisseur, telle qu'une lame en carton, métal ou plastique, de même étendue surfacique que les feuilles et au travers de laquelle sont percés des trous et des orifices en concordances avec les trous 2 et les orifices 12 des feuilles. Préférentiellement, le diamètre de trous de la lame 16 est légèrement supérieur à celui des trous prévus sur les feuilles 11. Grâce à cette lame, les effluents gazeux ne peuvent que parcourir les canaux 2 dans lesquels les particules contenues dans ces effluents seront capturées par les filaments de la matière poreuse en feutre, puis lors du passage dans l'espace entre deux feuilles, les particules encore présentes dans les effluents vont se mélanger avec le flux qui le portent avant de pénétrer dans les canaux de la feuille suivante. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, il peut aussi être envisagé de séparer par des espaces libres des sous-ensembles d'au moins une feuille de manière à obtenir une suite d'au moins deux sous-ensembles de feuilles avec un nombre fixe ou variable de feuilles, comme cela est représenté sur la figure 6 qui montre une succession de sous-ensembles de deux feuilles, chaque sous-ensemble étant séparé par des espaces. Dans cette disposition, il peut être prévu que tout ou partie des sousensembles de feuilles soient munis sur leurs faces avals d'une lame 16 telle que précédemment décrite. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais englobe toute variante. Notamment, il peut être envisagé que les canaux soient réalisés par un assemblage de feuilles en feutre qui forment un quadrillage à travers lequel passent les effluents à traiter. REVENDICATIONS 1) Séparateur en matière poreuse destiné à traiter des effluents gazeux contenant des particules de taille sensiblement inférieure à un micromètre ou de l'ordre d'un micromètre et comprenant des canaux (2) destinés à l'écoulement en état turbulent desdits effluents d'une extrémité à l'autre desdits canaux, caractérisé en ce que les canaux (2) sont délimités par une matière poreuse en feutre. 2) Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la porosité de ladite matière est comprise entre 90 % et 99 %. 3) Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la taille des pores formant ladite matière est comprise entre environ 0,1 mm et environ 5 mm. 4) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des filaments du feutre formant ladite matière est compris entre 2 m et 100 ! lm. 5) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des canaux (2) traversant ladite matière est compris entre 3 et 15 mm. 6) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (2) présentent une longueur comprise entre environ 10 cm et environ 200 cm. 7) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau des filaments est un matériau synthétique. 8) Séparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau des filaments est un matériau céramique. 9) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière poreuse est sous forme de feuille (11) en feutre. 10) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière poreuse est réalisée par empilage de feuilles (11) les unes sur les autres. 11) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une feuille (11) est disposée sensiblement parallèle et à distance d'au moins une autre feuille. 12) Séparateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les feuilles (11) sont disposées à distance les unes des autres par moyens d'entretoisement (13). 13) Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux sous-ensembles d'au moins deux feuilles (11) sont disposées à distance les uns des autres. 14) Séparateur selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que des moyens de support (16) de feuille sont prévus en regard d'au moins une face d'au moins une feuille (11). 15) Séparateur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de support comporte une lame imperméable (16) de même étendue surfacique que les feuilles et portant des orifices en concordance des canaux (2) des feuilles. 16) Appareil destiné à séparer des particules contenues dans un effluent gazeux et comprenant une enceinte (4) ayant une entrée et une sortie, au moins un canal (2) sensiblement droit, complètement libre, non obturé, ouvert à ses deux extrémités et destiné à laisser passer ledit effluent gazeux en état turbulent de l'entrée vers la sortie et un séparateur constitué d'une matière poreuse qui définit les parois desdits canaux (2) et qui remplit tout l'espace entre lesdits canaux, caractérisé en ce que le séparateur est un séparateur selon l'une des revendications précédentes. 17) Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour secouer ladite matière afin de faire tomber les particules retenues à l'intérieur de ladite matière. 18) Appareil selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que lesdits canaux (2) sont orientés horizontalement, en ce qu'il permet d'éliminer des gouttelettes de liquide telles que des gouttelettes contenues dans un brouillard, en ce que le liquide formé après déposition des gouttelettes est drainé par ladite matière en feutre et est continuellement déchargé de ladite matière dans des moyens appropriés (5) disposés au bas de ladite enceinte (4).