Brevet FR2815269A1 — publié le 20020419

La présente invention concerne le domaine technique de la séparation moléculaire ou particulaire mettant en oeuvre des éléments de séparation appelés généralement membranes, adaptés pour assurer la séparation des molécules ou des particules contenues dans un milieu fluide à traiter. L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la filtration au sens général d'un milieu fluide à traiter, et en particulier de la nanofiltration, de l'ultrafiltration, de ! a microfutration, etc. D'une manière classique, une installation de filtration comporte au moins un dispositif de filtration comportant dans un carter étanche, une série d'éléments tubulaires de filtration s'étendant parallèlement les uns aux autres et destinés à être reliés à un circuit de circulation du fluide à traiter. Chaque élément de filtration comporte au moins un canal de circulation pour le fluide à traiter. Les éléments de filtration assurent la filtration tangentielle du fluide en vue d'obtenir à la surface périphérique des éléments de filtration, la sortie du filtrat destiné à être récupéré dans une chambre de collecte aménagée à l'intérieur du carter. Le circuit de circulation du fluide à traiter est équipé d'une pompe assurant la circulation du fluide à traiter à grande vitesse à l'intérieur des éléments de filtration tendant ainsi à générer une contrainte de cisaillement qui redisperse les matières déposées sur la surface des canaux des éléments de filtration. Cependant, ce décolmatage tangentiel ne permet pas d'éviter à terme le bouchage des pores des éléments de filtration. Aussi, après un temps de fonctionnement dépendant du fluide à traiter, il apparaît nécessaire de procéder au lavage des éléments tubulaires de filtration afin de les débarrasser des dépôts qui réduisent leur porosité. L'état de la technique connaît un autre principe de décolmatage consistant à rétrofiltrer une fraction du filtrat à travers les éléments de filtration afin d'éliminer physiquement les matières déposées sur la surface des canaux. Un tel système de rétrofiltration est d'autant plus efficace que le volume rétrofiltré est important et que la pression est élevée. Or, une installation de filtration présente généralement de grandes surfaces de filtration de sorte que le système de rétrofiltration présente un volume trop important. De plus, un système de rétrofiltration voit classiquement son efficacité diminuer lorsque la vitesse tangentielle augmente. L'objet de l'invention vise donc à remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus en proposant un dispositif de filtration conçu pour réduire le phénomène de décolmatage intervenant lors de la filtration tangentielle d'un fluide à traiter. Pour atteindre un tel objectif le dispositif comporte : - un carter étanche comportant une virole fermée à chaque extrémité par des parois transversales, - une série d'éléments tubulaires de filtration s'étendant à l'intérieur du carter en le traversant de manière étanche et destinés à être reliés à un circuit de circulation du fluide à traiter, les éléments tubulaires comportant chacun au moins un canal de circulation pour le fluide à traiter définissant une surface de filtration pour ledit fluide permettant la sortie du filtrat à la périphérie des éléments tubulaires, - au moins une sortie pour l'évacuation du filtrat, communiquant avec une chambre aménagée à l'intérieur du carter et assurant la collecte du filtrat qui sort de la périphérie des éléments tubulaires. Selon l'invention, le dispositif comporte une vessie montée à l'intérieur du carter en entourant les éléments de filtration pour délimiter du côté intérieur, au moins en partie, la chambre de collecte du filtrat et du côté extérieur et avec le carter, une enceinte communiquant avec une entrée et une sortie de rétrofiltration destinées à être reliées à un circuit de circulation du fluide à traiter, la vessie étant destinée, en fonction du mode de fonctionnement du dispositif, à passer d'une position de filtration dans laquelle les volumes de la chambre de collecte et de l'enceinte délimités par la vessie sont respectivement maximum et minimum, à une position de rétrofiltration dans laquelle les volumes de la chambre de collecte et de l'enceinte délimités par la vessie sont respectivement minimum et maximum. 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. 1 est un schéma de principe montrant une installation de filtration conforme à l'invention. La fig. 2 est une vue en coupe élévation d'un dispositif de filtration mis en oeuvre dans l'installation conforme à l'invention. La fig. 3 est une coupe transversale prise sensiblement selon la ligne III-III de la fig. 2. La fig. 1 montre un exemple de réalisation d'une installation 1 permettant d'assurer la filtration tangentielle d'un fluide à traiter pouvant être de toute nature. L'installation 1 comporte un dispositif de filtration 2 placé en série dans un circuit 3 de circulation du fluide à traiter stocké dans un bac 4. Un tel circuit de circulation 3 est équipé d'une pompe 5 placée en série avec un obturateur commandé 6 relié par une entrée 7 au dispositif de filtration 2. Le circuit de circulation 3 comporte également une sortie 8 pour le retour du milieu fluide au bac 4. La pompe de circulation 5 est dimensionnée de manière à obtenir une vitesse tangentielle de circulation comprise entre 0,5 m/s et 3 m/s et de préférence de l'ordre de 1 m/s. L'installation 1 comporte également un circuit 9 de rétrofiltration du fluide à traiter constitué dans l'exemple illustré par une dérivation 11 placée à la sortie de la pompe 5 et équipé d'un obturateur commandé 12 relié au dispositif de filtration 2 par une entrée 13. Le circuit de rétrofiltration 9 comporte à partir du dispositif de filtration 2, une sortie 14 assurant le retour du fluide au bac 4 et munie d'un obturateur commandé 15. De manière classique, le dispositif de filtration 2 comporte également une sortie 16 du filtrat, reliée à un circuit de collecte 18 équipé d'un obturateur commandé 19. Tel que cela paraît plus précisément aux fig. 2 et 3, le dispositif de filtration 2 comporte un carter étanche 21 constitué sous la forme d'une virole 22 possédant une section droite transversale circulaire. La virole 22 est prolongée à chaque extrémité par des parois transversales 23 fermées par une plaque de tête 24. Le dispositif de filtration 2 comporte également une série d'éléments tubulaires de filtration 26 s'étendant parallèlement les uns aux autres. Chaque élément de filtration 26 possède une forme extérieure de section droite transversale par exemple hexagonale ou comme illustré, circulaire. Chaque élément de filtration 26 comporte au moins un canal 27 réalisé parallèlement à l'axe longitudinal de l'élément de filtration. La surface des canaux 27 est recouverte par au moins une couche séparatrice non représentée, destinée à être en contact avec le fluide à traiter circulant à l'intérieur des canaux 27. La nature de la ou des couches séparatrices est choisie en fonction du pouvoir de séparation ou de filtration à obtenir. Les éléments de filtration 26 sont montés à chacune de leurs extrémités sur une plaque de tête 24 fixée à une paroi transversale 23 par l'intermédiaire d'une contreplaque 28 assemblée par des vis 281. Chaque plaque de tête 24 comporte une série de trous 29 équipés chacun d'un joint d'étanchéité 30 permettant le montage étanche des extrémités d'un élément de filtration 26. Les éléments de filtration 26 communiquent par leurs canaux 27, à travers un orifice 31 aménagé dans les contreplaques 28, avec l'entrée 7 et la sortie 8 de sortie du circuit de circulation 3 du fluide à traiter. Selon une caractéristique de l'invention, le carter 21 est équipé intérieurement d'une vessie 33 montée pour entourer les éléments de filtration 26. Cette vessie 33 qui est réalisée en un matériau adapté pour lui conférer un caractère déformable, présente une partie tubulaire 34 dont l'axe de symétrie s'étend parallèlement à l'axe longitudinal des éléments tubulaires 26. La partie tubulaire 34 de la vessie est prolongée à chaque extrémité par un flasque 35 en partie retourné pour être interposée entre une paroi transversale 23 de la virole et une plaque de tête 24. La vessie 33 délimite du côté intérieur, au moins en partie, une chambre 38 de collecte du filtrat sortant de la périphérie des éléments tubulaires de filtration 26. La vessie 33 délimite du côté extérieur et avec le carter 21, une enceinte 39 dite de rétrofiltration communiquant avec l'entrée 13 et la sortie 14 du circuit de rétrofiltration. Il doit être compris que la vessie 33 délimite une chambre 38 et une enceinte 39, possédant des volumes complémentaires en fonction de la position de la vessie, comme cela paraîtra plus précisément dans la suite de la description. Selon une caractéristique préférée de réalisation de l'invention, le dispositif 2 comporte une enveloppe de protection 41 montée dans la chambre de collecte 38 en entourant les éléments de filtration 26 et permettant le passage du filtrat. Cette enveloppe de protection 41 sert de butée pour la vessie 33 comme cela sera expliqué plus précisément dans la suite de la description. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la vessie 33 présente une partie tubulaire 34 dont le rapport de sa surface sur la surface de filtration totale de l'ensemble des éléments tubulaires 26 est compris entre 0, 3 et 10 et, de préférence, entre 0, 5 et 1. Le fonctionnement de l'installation 1 intégrant le dispositif 2 décrit ci-dessus découle directement de la description qui précède. Lors du fonctionnement du dispositif 2 en filtration tangentielle, l'obturateur 12 est commandé en fermeture tandis que les obturateurs 6,15 et 19 sont placés en position d'ouverture. Le fonctionnement de la pompe 5 permet d'assurer la circulation du fluide à traiter dans le circuit 3 de sorte que sous l'effet de la pression de la pompe, il se produit une filtration à travers les éléments tubulaires 26. Le filtrat qui sort de la périphérie des éléments tubulaires 26 est récupéré dans la chambre de collecte 38 et s'écoule dans le circuit de récupération 18 par l'intermédiaire de la sortie 16. La vessie 33 occupe donc dans ce mode de fonctionnement en filtration tangentielle, une position dans laquelle les volumes de la chambre de collecte 38 et de l'enceinte 39 sont respectivement maximum et minimum. En régime normal la vessie 33 occupe la position telle que représentée sur les fig. 2 et 3. Dans cette position, il est à noter que la vessie 33 épouse pratiquement la forme du carter 21 qui lui sert de butée. Il est à noter que la vitesse du fluide à travers les éléments tubulaires 26 réalise un balayage tangentiel, ce qui assure une partie du décolmatage des éléments tubulaires 26. Périodiquement, il est procédé à un mode de fonctionnement en rétrofiltration permettant d'assurer un décolmatage des particules bouchant la porosité des éléments de filtration 26. Lors du fonctionnement en mode de rétrofiltration, les obturateurs 6, 15 et 19 sont fermés, tandis que l'obturateur 12 du circuit de rétrofiltration 9 est ouvert. L'ouverture de l'obturateur 12 conduit le fluide à traiter à pénétrer à l'intérieur de l'enceinte 39 venant comprimer la vessie 33. Sous l'effet de la pression délivrée par la pompe 5, la vessie 33 se déforme jusqu'à venir en butée sur l'enveloppe de protection 41. Dans cette position, la vessie 33 occupe une position dans laquelle les volumes de la chambre de collecte 38 et de l'enceinte 39 sont respectivement minimum et maximum. La déformation de la vessie 33 force le filtrat contenu dans la chambre de collecte 38 à traverser les éléments de filtration 26, en vue de déboucher dans les canaux 27 des éléments tubulaires 26. Le filtrat se trouve ainsi rétrofiltré à travers les éléments de filtration 26 réalisant ainsi un décolmatage. Ce filtrat rétrofiltré retourne alors dans le bac de stockage 4 par l'intermédiaire de la sortie 8. Au terme de la période de décolmatage, le dispositif 2 revient à un mode de fonctionnement en filtration tangentielle comme décrit ci avant. A cet effet, les obturateurs 6, 15 et 19 sont ouverts tandis que l'obturateur 12 est fermé. Sous l'effet de la pression de la pompe, la filtration tangentielle est rétablie de sorte que le filtrat repousse la vessie 33 contre les parois du carter 21, tandis que le liquide compris dans l'enceinte 39 retourne au bac de stockage 4 par l'intermédiaire de la sortie 14 du circuit de rétrofiltration 9. A titre d'exemple, la période de décolmatage est comprise entre 15 et 60 mn et la durée d'un cycle de décolmatage est comprise entre 5 et 60 s. De plus, le circuit de circulation 3 et le dispositif 2 sont dimensionnés de manière à obtenir une vitesse de rétrofiltration comprise entre 1 et 10 mm/s et, de préférence, de l'ordre de 6 mm/s. Dans la description qui précède, la vessie 33 vient en butée sur l'enveloppe de protection 41 lors du fonctionnement en rétrofiltration. Bien entendu, la vessie 33 peut venir en butée sur les éléments de filtration 26 dans le mode de rétrofiltration. Dans le même sens, cette position de rétrofiltration de la vessie 33 peut correspondre à une déformation limite de cette vessie. 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-Dispositif pour la filtration tangentielle d'un fluide à traiter à partir duquel est obtenu un filtrat, le dispositif comportant : - un carter étanche (21) comportant une virole (22) fermée à chaque extrémité par des parois transversales (23), - une série d'éléments tubulaires de filtration (26) s'étendant à l'intérieur du carter en le traversant de manière étanche et destinés à être reliés à un circuit (31) de circulation du fluide à traiter, les éléments tubulaires (26) comportant chacun au moins un canal (27) de circulation pour le fluide à traiter définissant une surface de filtration pour ledit fluide permettant la sortie du filtrat à la périphérie des éléments tubulaires, - au moins une sortie (16) pour l'évacuation du filtrat communiquant avec une chambre (38) aménagée à l'intérieur du carter et assurant la collecte du filtrat qui sort de la périphérie des éléments tubulaires (26), caractérisé en ce qu'il comporte une vessie (33) montée à l'intérieur du carter (21) en entourant les éléments de filtration pour délimiter du côté intérieur, au moins en partie, la chambre (38) de collecte du filtrat et du côté extérieur et avec le carter, une enceinte (39) communiquant avec une entrée (13) et une sortie (14) de rétrofiltration destinées à être reliées à un circuit de circulation du fluide à traiter, la vessie (33) étant destinée, en fonction du mode de fonctionnement du dispositif, à passer d'une position de filtration dans laquelle les volumes de la chambre de collecte (38) et de l'enceinte (39) délimités par la vessie sont respectivement maximum et minimum, à une position de rétrofiltration dans laquelle les volumes de la chambre de collecte (38) et de l'enceinte (39) délimités par la vessie sont respectivement minimum et maximum. 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe de protection (41) montée dans la chambre de collecte (38) en entourant les éléments de filtration (26), permettant le passage du filtrat et sur laquelle la vessie (33) vient en butée dans sa position de rétrofiltration. 3-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vessie (33) présente une partie tubulaire (34) dont l'axe de symétrie s'étend parallèlement à l'axe longitudinal des éléments tubulaires (26). 4-Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vessie (33) présente une partie tubulaire (34) dont le rapport de sa surface sur la surface de filtration des éléments tubulaires (26) est compris entre 0,3 et 10 et de préférence entre 0,5 et 1. 5-Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la vessie (33) présente une partie tubulaire (34) prolongée à chaque extrémité par un flasque (35) en partie retournée pour être monté sur les parois transversales (23) de la virole. 6-Installation pour la filtration tangentielle d'un fluide à traiter à partir duquel est obtenu un filtrat, caractérisée en ce qu'elle comporte : - un dispositif (2) conforme à l'une des revendications 1 à 5, - au moins un circuit de circulation (3,9), pour le fluide à traiter d'une pompe et équipé d'obturateurs commandés (6,12, 15) pour assurer la circulation du fluide à traiter dans le dispositif de fonctionnement en mode de filtration et en mode de rétrofiltration, - un circuit (18) de collecte du filtrat sortant du dispositif (2) et équipé d'un obturateur commandé (19), - et des moyens de commande des obturateurs assurant, en mode de filtration, la circulation du fluide à traiter à travers les éléments tubulaires (26) et la récupération du filtrat, et en mode rétrofiltration, l'alimentation en fluide à traiter, de l'entrée de rétrofiltration et la fermeture du circuit de collecte du filtrat en vue de forcer, à l'aide de la vessie (33), le filtrat contenu dans la chambre de collecte (38), à passer à travers les éléments tubulaires (26) pour être récupéré dans les canaux (27). 7-Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le circuit de circulation (3) et le dispositif (2) sont dimensionnés de manière à obtenir une vitesse de rétrofiltration comprise entre 1 et 10 mm/s et, de préférence, de l'ordre de 6 mm/s. 8-Installation selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la pompe (7) de circulation de fluide à traiter (5) est dimensionnée pour obtenir une vitesse tangentielle de circulation comprise entre 0,5 m/s et 3 m/s et de préférence de l'ordre de 1 m/s.