Brevet FR2876922A1 — publié le 20060428

La présente invention concerne un support monolithe poreux d'un élément de filtration ayant une forme tubulaire et une section transversale sensiblement constante suivant la direction de son axe et comportant une pluralité de canaux dont les surfaces sont destinées à être revêtues par des membranes de filtration, ces canaux ayant des sections transversales réparties dans la section transversale du support, tous les canaux étant séparés de la périphérie du support seulement par une unique paroi latérale du support. Un élément de filtration comporte un support monolithe poreux traver- sé par des canaux longitudinaux dont la surface latérale est revêtue d'une membrane filtrante présentant une très faible épaisseur et définissant des mailles filtrantes de taille déterminée. En fonction de la membrane utilisée, un tel élément de filtration permet la mise en oeuvre dans un milieu liquide d'un procédé de filtration, de microfiltration, d'ultrafiltration, de nanofiltration ou d'osmose inverse. Lors de la filtration, le fluide à filtrer circule dans les canaux sous la forme de courants tangentiels au contact des membranes de filtration. Les membranes assurent une séparation du milieu liquide en circulation à leur contact en retenant certaines particules ou molécules et en laissant traver- ser d'autres fractions du milieu liquide lorsqu'elles sont soumises à une pression établie de part et d'autre des membranes, appelée pression transmembranaire. Les membranes étant d'épaisseur très réduite, celles-ci sont d'une grande fragilité. Le support monolithe poreux assure la résistance mécani- que de l'élément de filtration de sorte qu'on peut utiliser des membranes de très faible épaisseur. Les canaux sont répartis dans la section du support monolithe suivant un agencement particulier. Cet agencement, ainsi que la taille et la forme des canaux, sont choi- sis en fonction de différentes contraintes, et notamment de la viscosité du fluide à filtrer, avec pour objectif de rendre maximale la surface filtrante développée, c'est-à-dire la surface de membrane filtrante offerte au fluide pour un volume réduit de l'élément filtrant, c'est-àdire un volume réduit du support monolithe. Toutefois, le diamètre hydraulique des canaux, défini par quatre fois la surface de la section transversale d'un canal divisée par son périmètre, doit être suffisamment grand pour permettre un écoulement satisfaisant du fluide à filtrer dans le canal, en particulier dans les cas où le fluide à filtrer est visqueux ou chargé en matières en suspension. Ainsi, il est connu, par exemple du document FR-A-2.724.850, un support monolithique comportant des canaux dont les sections sont formées par des secteurs de disque répartis en cercle de manière régulière autour de son axe. Le nombre de canaux est compris couramment entre trois et six. Afin d'augmenter la surface filtrante développée, il est connu d'augmenter le nombre de canaux. En particulier, les canaux peuvent être répartis sur plusieurs circonférences concentriques centrées suivant l'axe du support filtrant. Toutefois, dans un élément de filtration multicanal, le perméat, c'est-à-dire le fluide ayant traversé la membrane circule à l'intérieur des parois poreuses du support monolithe pour se diriger vers la surface extérieure du support. Les conditions de circulation du perméat sont donc très différentes suivant la position dans la section de l'élément de filtration du canal duquel provient le perméat. Ainsi, les supports monolithes poreux dont tous les canaux sont séparés de la périphérie du support seulement par une unique paroi latérale du support sont privilégiés. Les agencements tels que décrits dans le document FR-2.724.850, dans lesquels les canaux sont constitués de secteurs généralement triangu25!aires décalés angulairement (avec des angles vifs arrondis) et répartis sur une même circonférence ne conduisent pas toujours à des performances satisfaisantes lorsque le diamètre du support monolithe est important, par exemple de l'ordre de 25 mm. En effet, si le nombre de canaux est réduit, la surface filtrante développée peut être faible et si le nombre de canaux est élevé, ceux-ci sont relativement aplatis, de sorte que le diamètre hydraulique des canaux est réduit et peut se révéler insuffisant pour la circulation de certains fluides visqueux. Ainsi, l'invention a pour but de proposer un support monolithe poreux dont la géométrie et la disposition des canaux permettent d'optimiser la sur-face membranaire développée tout en préservant un diamètre hydraulique suffisant, notamment pour filtrer des fluides visqueux ou des suspensions très chargées, et permettent d'obtenir des performances de filtration élevées, même avec des supports monolithes ayant un grand diamètre extérieur. A cet effet, l'invention a pour objet un support monolithe poreux, du type précité, caractérisé en ce que tous les canaux du support se répartissent en: - un premier ensemble de canaux radiaux oblongs disposés avec leur longueur s'étendant sensiblement radialement; et - un second ensemble de canaux latéraux oblongs intercalés entre les canaux radiaux et disposés avec leur longueur s'étendant sensiblement pa- rallèlement à la périphérie du support. Suivant des modes particuliers de réalisation, le support monolithe poreux comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le nombre de canaux radiaux et de canaux latéraux est compris entre 8et12; - la longueur des canaux radiaux est supérieure au quart de la dimension transversale minimale du support; - la surface de la section transversale des canaux radiaux et latéraux est comprise entre 18 et 30 mm2; - la largeur des canaux radiaux est comprise entre 0,3 et 0,6 fois leur longueur; - la dimension transversale minimale du support est comprise entre 24 mm et 30 mm, et le diamètre hydraulique de chaque canal est compris entre 4 et 6 mm; - tous les canaux radiaux et latéraux ont une même forme; - les canaux radiaux présentent une section en forme d'ellipse; - les canaux radiaux présentent une section en forme de triangle cur- viligne possédant un grand côté convexe et deux côtés concaves plus petits; - les canaux latéraux sont disposés de sorte que les grands côtés convexes de leur section s'étendent sensiblement parallèlement à la périphérie du support; - les canaux radiaux présentent une forme polygonale à au moins quatre côtés, et les canaux latéraux présentent une forme généralement triangulaire; - les canaux sont disjoints; - le support comporte, pour chaque paire de canaux adjacents constituée d'un canal radial et d'un canal latéral un passage de liaison assurant la communication entre les canaux radial et latéral associés; et - chaque passage de liaison a une largeur inférieure à la moitié de la plus petite longueur des canaux. L'invention a également pour objet un élément de filtration compre- nant un support monolithe poreux délimitant une pluralité de canaux et des membranes de filtration revêtant les parois des canaux, caractérisé en ce que le support monolithe poreux est tel que défini ci-dessus. L'invention concerne aussi un module de filtration pour fluide comportant un ensemble d'éléments de filtration conformes à celui défini précédemment. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins, sur lesquels: - la figure 1 est une vue partielle en perspective éclatée d'un module de filtration comportant des supports poreux selon l'invention; - la figure 2 est une section d'un support monolithe poreux selon l'in- vention; - les figures 3 et 4 sont des vues identiques à celle de la figure 2 d'au- tres variantes de réalisation d'un support monolithe poreux selon l'invention; - les figures 5, 6 et 7 sont des vues identiques à celles des figures 2, 3 et 4 montrant des variantes de réalisation des supports monolithes respec- tifs de ces figures; et - la figure 8 est une vue identique à celle de la figure 7 d'encore une autre variante de réalisation. Le module de filtration 10 illustré sur la figure 1 comporte un corps tubulaire 12 dans lequel sont disposés parallèlement les uns aux autres des éléments de filtration 13 formés de supports monolithes poreux 14 selon l'invention dont les canaux intérieurs sont recouverts d'une membrane poreuse 15. A chaque extrémité, les supports monolithes poreux sont maintenus par des entretoises 16 auxquelles sont associés des joints 18. Le corps 12 est prolongé à ses extrémités par des tronçons convergents 20 dont l'un forme une entrée pour le fluide à filtrer et dont l'autre forme une sortie de recueil du rétentat, c'est-à-dire du fluide n'ayant pas traversé les membranes poreuses. Un ou plusieurs piquages latéraux 22 sont ménagés sur le corps 12 pour le recueil du perméat ayant traversé les membranes poreuses. Comme connu en soi, lors d'une opération de filtration dans un tel module de filtration, le fluide à filtrer est acheminé à l'intérieur des canaux de filtration. Une différence de pression est établie entre la partie interne des canaux portant les membranes et la chambre formée à l'extérieur des supports 14 et délimitée par le corps 12. Ainsi, une fraction du fluide à filtrer traverse les membranes de filtration et circule au travers du support poreux 14 en direction de leur surface externe. Le support monolithe selon l'invention est de préférence réalisé en matériau céramique poreux. Il est formé d'une seule pièce, par exemple par un procédé classique d'extrusion d'une matière céramique à travers une filière de forme adaptée réalisant le formage du réseau de parois de séparation des canaux. Après cuisson de la matière céramique, la surface intérieure des ca- naux est recouverte d'une couche mince d'une substance permettant d'obtenir par frittage une couche ou membrane de filtration sur la surface de chacun des canaux. Sur la figure 2 est représentée une section d'un support monolithe poreux 50 selon l'invention. Celui-ci présente une forme tubulaire cylindrique d'axe X-X de section circulaire. Le diamètre du support est, de préférence, compris entre 20 mm et 30 mm et est, par exemple, égal à 25 mm. La sec- tion du support 50 est constante suivant sa longueur. Cette longueur peut être en particulier comprise entre 1000 et 1300 mm; elle est par exemple égale à 1178 mm. Le support 50 est traversé, suivant toute sa longueur dans la direction de l'axe X-X, par des canaux dont le diamètre hydraulique est généralement compris entre 4 et 6 mm, par exemple entre 4,5 et 5,5 mm, leur nombre étant, de préférence, compris entre 8 et 12. Les canaux sont séparés les uns des autres par des cloisons désignées de manière générale par la référence 54. Les canaux délimitent avec la surface latérale cylindrique extérieure du support des parois périphériques 56. Tous les canaux sont séparés de la périphérie du support seulement par une unique paroi latérale 56. Ainsi, le fluide circulant dans chaque canal peut atteindre la surface externe du support en circulant seulement radiale-ment au travers d'une paroi latérale, sans devoir emprunter une cloison in- termédiaire 54. Tous les canaux du support présentent une section de forme oblongue, c'est-à-dire que cette section est généralement allongée et présente donc une longueur supérieure à sa largeur. Tous les canaux se répartissent en un premier ensemble de canaux radiaux 62 disposés avec leur longueur s'étendant radialement et un second ensemble de canaux latéraux 64 intercalés entre les canaux radiaux à la périphérie du support et disposés avec leur longueur s'étendant généralement parallèlement à la périphérie du support. De manière avantageuse, aucun canal n'est ménagé suivant l'axe X- X. Les canaux radiaux 62 sont angulairement régulièrement répartis au- tour de l'axe X-X. Leur nombre est compris, de préférence, entre quatre et six. Dans l'exemple considéré, il est de cinq, de sorte que les longueurs des sections des canaux sont décalées angulairement de 72 . Les canaux latéraux 64 sont intercalés entre les canaux radiaux 62. Ainsi, chaque canal latéral 64 est centré sur une bissectrice de l'angle défini par les longueurs des sections des canaux radiaux 62. Les longueurs des canaux latéraux 64 s'étendent suivant les côtés d'un pentagone centré suivant l'axe X-X. Dans le mode de réalisation considéré, les canaux ont tous une même section. La surface de la section transversale des canaux est corn- prise préférentiellement entre 18 mm2 et 30 mm2. Elle est ici de 23 mm2. La section des canaux est de forme ellipsoïdale. Le grand axe de l'ellipse a une longueur supérieure à la moitié du rayon du support 50. De préférence, cette longueur est sensiblement égale aux deux tiers du rayon du support. La longueur du petit axe de l'ellipse, c'est-à-dire la largeur du canal, est comprise entre le tiers et les deux tiers de la longueur du grand axe. De préférence, celle-ci est égale à sensiblement la moitié de la longueur du grand axe. De manière générale, les canaux radiaux ont une largeur comprise entre 0, 3 et 0,6 fois leur longueur. De préférence, l'épaisseur minimale des parois latérales 56 est égale à 1, 5 mm alors que l'épaisseur minimale des cloisons 56 entre les canaux adjacents est égale à 0,8 mm. Avec un tel support, dont le diamètre est ici égal à 25 mm et la longueur est ici égale à 1178 mm, les caractéristiques suivantes sont obte- nues: surface totale des canaux: 0,230 m2; et - diamètre hydraulique: 4,9 mm. L'agencement particulier des canaux permet d'obtenir une surface filtrante développée importante avec un diamètre hydraulique de l'ordre de 5, ce qui permet la filtration de fluides relativement visqueux ou chargés en matières en suspension. Sur la figure 3 est représentée une variante de réalisation du support de la figure 2. Dans toute la suite de la description, les cloisons et les parois latérales sont désignées par les mêmes références 54 et 56. Comme précédemment, le support noté 70 est de forme cylindrique de diamètre 25 mm. II définit cinq canaux radiaux 72 entre lesquels sont intercalés le long de la surface latérale extérieure cinq canaux longitudinaux 74. Tous les canaux ont une même forme. Ainsi, la section des canaux a une forme de triangle curviligne possédant un grand côté 76 convexe et deux petits côtés 78 plus petits et concaves. Les côtés 78 ont des longueurs identiques. Les côtés délimitant les canaux sont reliés les unas aux autres par des congés de raccordement. Pour les canaux latéraux, le grand côté convexe 76 s'étend sensible-ment parallèlement à la surface extérieure cylindrique du support. Le rayon de courbure de ce grand côté 76 est égal à 22 mm et le centre s'étend suivant l'axe X-X du support. Les grands côtés 76 s'étendent dans le prolongement les uns des autres et présentent ainsi une même enveloppe circulaire. Les petits côtés concaves 78 présentent un rayon de courbure de 12,3 mm. Les angles du triangle curviligne présentent des congés de rac- cordement dont le rayon est égal à 0,7 mm pour les congés formés aux extrémités du grand côté 76 et à 1,3 mm pour le congé reliant les deux petits côtés 78. Ainsi, chaque conduit présente une section transversale dont le périmètre est égal à 20,5 mm et dont la surface est égale à 23,5 mm2. La longueur des sections des canaux est ici d'environ 8,8 mm. Les canaux radiaux s'étendent avec leur longueur généralement disposée du centre vers la périphérie. Cette longueur s'étend essentiellement radiale-ment, en étant légèrement inclinée, celle-ci délimitant avec un diamètre du support un angle d'une vingtaine de degrés. Tous les canaux radiaux 72 sont inclinés par rapport au diamètre associé d'un même côté à l'image des pales d'une hélice. Ils sont disposés dans un même sens et sont régulière-ment angulairement répartis de sorte que le motif défini par les canaux est invariant par rotation autour de l'axe du support d'un angle de 72 . De préférence, dans ce mode de réalisation, l'épaisseur minimale des parois latérales 56 séparant les grands côtés 76 des canaux latéraux de la surface extérieure du support est égale à 1,5 mm, alors que l'épaisseur minimale des cloisons 34 séparant les canaux radiaux des canaux longitudinaux est égale à 1,2 mm. De manière avantageuse, aucun canal n'est ménagé suivant l'axe X-X. Les cloisons 54 délimitées entre les différents canaux ont une forme générale de Y. La surface filtrante d'un tel support de diamètre 28,8 mm et de longueur égale à 1178 mm est égale à 0,240 m2 pour un diamètre hydraulique de 4,65 mm. Dans le mode de réalisation de la figure 4, les canaux radiaux notés 92 et les canaux latéraux notés 94 ont des formes différentes. Les canaux radiaux 92 s'étendent avec leur longueur disposée exactement radialement. Ces canaux, au nombre de cinq, sont décalés angulairement de 72 . Ils présentent en section une forme polygonale à plus de quatre côtés, ce nombre étant notamment égal à cinq, de sorte que ces canaux ont une forme de pentagone irrégulier. La section des canaux radiaux est symétrique par rap- port à la longueur des canaux. Ils présentent depuis le centre du support deux petits côtés 96. Pour deux canaux radiaux adjacents 92, ces petits côtés s'étendent parallèlement l'un à l'autre, de sorte que les cloisons 54 séparant les canaux au voisinage du centre définissent une étoile à cinq branches. Le long de la surface extérieure du support, chaque canal radial 92 présente un côté étroit formant fond 98 s'étendant généralement parallèlement à la surface extérieure du support. Ce fond est relié aux extrémités des petits côtés deux grands côtés 100. La longueur des canaux radiaux 92 est ici sensiblement égale à 9,3 mm alors que leur largeur, mesurée entre les pointes reliant les petits côtés 96 aux grands côtés 100, est égale à 4,1 mm. Les canaux longitudinaux 94 présentent en section une forme de triangle curviligne présentant une base courbe 102 s'étendant généralement parallèlement à la surface latérale du support et deux côtés rectilignes 104 de même longueur s'étendant parallèlement aux grands côtés 100 des deux canaux radiaux entre lesquels le canal longitudinal est intercalé. La base 102 a une longueur supérieure aux côtés rectilignes 104. La longueur des canaux latéraux est de 7,8 mm alors que leur largeur est de 5 mm. Les cloisons 54 délimitées entre les canaux radiaux 92 adjacents et le canal latéral 94 interposé présentent une forme générale de Y, l'épaisseur des cloisons étant constante suivant chaque branche du Y et par exemple sensiblement égale à 1,2 mm. De manière avantageuse, aucun canal n'est ménagé suivant l'axe X-X. L'épaisseur des parois 56 séparant les canaux de la surface exté- rieure est égale à 1,8 mm. Dans tous les canaux, les côtés successifs délimitant les canaux se relient les uns aux autres par des congés de raccordement ou des angles vifs arrondis. Avec une telle géométrie, le support poreux, ayant un diamètre de 25 mm pour une longueur de 1178 mm, offre une surface filtrante développée de 0, 245 m2, le diamètre hydraulique des canaux radiaux 92 étant égal à 4,83 mm alors qu'il est de 4,81 mm pour les canaux latéraux 94. Les supports poreux illustrés aux figures 2, 3 et 4 comportent des canaux qui sont disjoints les uns des autres. Ainsi, les canaux radiaux sont totalement séparés des canaux latéraux par des cloisons continues. Dans les variantes de réalisation illustrées aux figures 5 à 8, au contraire, un passage de liaison relie deux à deux un canal radial et un canal latéral adjacents afin d'assurer la communication fluidique entre ces canaux. Ce passage de liaison est relativement court et en particulier a, de préfé- rence, une largeur inférieure à la moitié et de préférence au tiers de la plus petite longueur des canaux radiaux et latéraux. Sur les figures 5 à 8, les différents éléments des supports correspondant à ceux des figures 2 à 4 sont désignés par les mêmes numéros de référence. Dans le mode de réalisation de la figure 5, les canaux radiaux 62 et les canaux latéraux 64 sont reliés l'un à l'autre depuis leur pointe par un passage de liaison 120 situé au voisinage de la périphérie du support. Ainsi, chaque paire de canaux radial et latéral ainsi reliés définit en section une forme générale de V. Dans le mode de réalisation de la figure 6, les canaux radiaux et latéraux adjacents sont reliés l'un à l'autre depuis leur coin situé le plus près de la périphérie du support par un passage 130. Cette liaison est assurée entre deux canaux adjacents au travers d'une cloison intermédiaire 54 délimitée par deux petits côtés concaves 78 disposés en regard l'un de l'autre. Dans le mode de réalisation de la figure 7, les canaux 92 et 94 sont reliés l'un à l'autre par un passage de liaison 140 ménagé au travers de la cloison 54 délimitée entre un grand côté 100 d'un canal radial 92 et un côté rectiligne 104 disposé en regard d'un canal longitudinal 94. Dans le mode de réalisation de la figure 7, le passage noté 140 est ménagé dans la moitié de la cloison s'étendant du côté de la périphérie du support. En revanche, dans le mode de réalisation de la figure 8, le passage noté 150 est délimité au travers de la même cloison dans sa moitié disposée à l'écart de la périphérie du support monolithique poreux 50. On constate également, avec ces variantes de réalisation, un rapport particulièrement efficace pour le diamètre hydraulique ramené à la surface membranaire. En variante, les supports monolithes ont une section extérieure polygonale, notamment hexagonale ou carrée. Dans ce cas, les relations dimensionnelles évoquées dans la description s'appliquent en remplaçant le dia-mètre du support par la dimension transversale minimale de sa section. REVENDICATIONS 1.- Support monolithe poreux (50; 70; 90) d'un élément de filtration ayant une forme tubulaire et une section transversale sensiblement cons- tante suivant la direction de son axe (X-X) et comportant une pluralité de canaux (62, 64; 72, 74; 92, 94) dont les surfaces sont destinées à être revêtues par des membranes de filtration, ces canaux ayant des sections transversales réparties dans la section transversale du support, tous les canaux (62, 64; 72, 74; 92, 94) étant séparés de la périphérie du support seulement par une unique paroi latérale (56) du support, caractérisé en ce que tous les canaux du support se répartissent en: - un premier ensemble de canaux radiaux oblongs (62; 72; 92) dis-posés avec leur longueur s'étendant sensiblement radialement; et - un second ensemble de canaux latéraux oblongs (64; 74; 94) inter-calés entre les canaux radiaux (62; 72; 92) et disposés avec leur longueur s'étendant sensiblement parallèlement à la périphérie du support. 2.- Support monolithe poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de canaux radiaux (62; 72; 92) et de canaux latéraux (64; 74; 94) est compris entre 8 et 12. 3.- Support selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la longueur des canaux radiaux (62; 72; 92) est supérieure au quart de la dimension transversale minimale du support. 4.- Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de la section transversale des canaux radiaux et latéraux (62, 64; 72; 74; 92, 94) est comprise entre 18 et 30 mm2. 5.- Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur des canaux radiaux (62; 72; 92) est comprise entre 0,3 et 0,6 fois leur longueur. 6.- Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dimension transversale minimale du support est comprise entre 24 mm et 30 mm, et en ce que le diamètre hydraulique de chaque canal (62, 64; 72; 74; 92, 94) est compris entre 4 et 6 mm. 7.- Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que tous les canaux radiaux et latéraux (62, 64; 72; 74) ont une même forme. 8.- Support monolithe poreux selon l'une quelconque des revendica-5 tions précédentes, caractérisé en ce que les canaux radiaux (62) présentent une section en forme d'ellipse. 9.- Support monolithe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les canaux radiaux (72) présentent une section en forme de triangle curviligne possédant un grand côté convexe (76) et deux côtés concaves (78) plus petits. 10.- Support selon les revendications 7 et 9 prises ensemble, caractérisé en ce que les canaux latéraux (74) sont disposés de sorte que les grands côtés convexes (76) de leur section s'étendent sensiblement parallèlement à la périphérie du support. 11.- Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les canaux radiaux (92) présentent une forme polygonale à au moins quatre côtés, et en ce que les canaux latéraux (94) présentent une forme généralement triangulaire. 12.- Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (62, 64; 72, 74; 92, 94) sont disjoints. 13.- Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte, pour chaque paire de canaux adjacents constituée d'un canal radial (62; 72; 92) et d'un canal latéral (64; 74; 94), un passage de liaison (120; 130; 140; 150) assurant la communication entre les canaux radial et latéral associés. 14.- Support selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque passage de liaison (120; 130; 140; 150) a une largeur inférieure à la moitié de la plus petite longueur des canaux. 15.- Elément de filtration (13) comprenant un support monolithe po- reux (14) délimitant une pluralité de canaux et des membranes de filtration (15) revêtant les parois des canaux, caractérisé en ce qu'il comporte un support monolithe poreux (50; 70; 90) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 16.- Module (10) de filtration pour fluide, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble d'éléments de filtration (13) selon la revendication 15.