Brevet FR2876046A1 — publié le 20060407

L'invention concerne un dispositif de filtration, destiné à un produit à filtrer susceptible de s'écouler ainsi qu'un procédé pour le fonctionnement du dispositif de filtration. On connaît, dans l'art antérieur, les documents US 2,538,575, DE 29 16 328 Al, DE 100 27 958 Al, JP 4071652 A (abrégé) dans "Patent Abstracts of Japan", 1992, le document US 6,739,456 B2 et le document DE 23 57 775 Al. Le document US 6,739,456 B2 décrit un récipient de type hydrocyclonique dans lequel est monté un ensemble de disques, et au moyen duquel des particules légères et lourdes sont censées être séparées les unes des autres dans une matière gazeuse. Les dispositifs de filtration de ce type sont en fait connus, par exemple dans le domaine des séparateurs, où l'on sait que des plateaux à membrane, excentrés les uns par rapport aux autres, sont posés sur le tube d'admission (DE 100 27 958 Al). Le dispositif exposé ici s'est avéré bon en soi. Cependant, un besoin subsiste encore, celui d'un dispositif de filtration avec des disques de filtre, en particulier des disques à membrane, qui permettent un bon effet de filtration, avec une structure de conception particulièrement simple et de préférence une faible consommation d'énergie. La réalisation d'un dispositif de filtration de ce type constitue le but de cette invention. II convient, par ailleurs, de créer un procédé avantageux pour le fonctionnement du dispositif. L'invention atteint ce but. A cet effet, le récipient présente une section cylindrique et une section conique se rétrécissant qui débouche dans un échappement pour une phase solide, les plateaux à filtres n'étant prévus que dans la section cylindrique du récipient, et dans le réservoir sont répartis plus d'un, et de préférence plus de deux arbres creux munis de plateaux à filtres, de sorte que les arbres creux à côté des plateaux à membrane ne se chevauchent pas. Les arbres creux sont conçus, par ailleurs, de manière rotative par rapport au réservoir, avec une vitesse variable, de sorte qu'en fonctionnement, des champs centrifuges locaux peuvent être générés dans la partie entourant le ou les arbres et un équipement est prévu pour la génération d'un flux centrifuge principal dans le réservoir, de sorte qu'un champ centrifuge principal dans le réservoir et des champs centrifuges locaux dans les plateaux à membrane creux s'ajoutent. Les plateaux à membrane sont constitués, dans ce cas, de préférence de céramique et comportent une structure bicouche, dans laquelle entre les deux couches de céramique supérieure et inférieure se forme un espace annulaire qui débouche vers l'intérieur, dans les canaux d'écoulement disposés dans les arbres creux. La disposition selon l'invention se caractérise par une structure simple et un faible besoin en énergie pour un bon effet de filtration. Un avantage de l'invention consiste, dans ce cas, à générer une rotation du liquide dans le réservoir, de manière à produire une sorte de champ centrifuge principal central qui provoque un effet de lavage à contrecourant. En cours de fonctionnement, les plateaux ou disques à membrane tournant avec les arbres creux, dans la réalisation creuse, forment dans ce cas eux-mêmes des champs centrifuges locaux propres, qui apparaissent en particulier à l'intérieur des plateaux à membrane creux ou de leurs espaces annulaires. Dans le champ centrifuge central se produisent, en raison de la rotation du liquide, de plus grandes pressions lorsque le rayon augmente, de sorte qu'en s'éloignant vers la périphérie du réservoir, règne une pression relativement élevée due au champ centrifuge extérieur et qu'en se rapprochant de l'axe central du réservoir règnent des pressions plus faibles. Un effet analogue peut être créé par des éléments mélangeurs dans un réservoir, de préférence, mais non obligatoirement, stationnaires et/ou une vitesse d'admission élevée dans la direction tangentielle. De ce fait, l'équipement pour la génération d'un flux centrifuge principal dans le réservoir comporte, de manière avantageuse, un entraînement rotatif pour le réservoir et/ou un équipement de mélange pour le matériau centrifugé dans le réservoir, et/ou l'équipement pour la génération d'un flux centrifuge principal dans le réservoir est réalisé sous forme d'arrivée tangentielle dans une section cylindrique du réservoir. Il est essentiel de générer un champ centrifuge principal suffisant. Il est possible de générer de cette manière, aussi bien une fréquence très élevée de refluement ou "backpulse" qu'un refluement ou "backpulse" sans à-coups, protecteur. L'écoulement amélioré des ensembles de particules séparés s'évacuant des plages de membrane, grâce au champ centrifuge de la partie externe, est également avantageux. Dans ce cas, la conception se laisse réaliser par une structure très simple, avec une sécurité fonctionnelle élevée et un bon pouvoir séparateur. Le débit et le sens du débit varient de manière synchronisée à chaque rotation du disque et se règlent extrêmement facilement via la vitesse du champ centrifuge local et du champ centrifuge principal. Le champ centrifuge au sein des disques à membrane peut dans ce cas, être réglé, par exemple en tant qu'option ou alternative, de manière simple par la vitesse des arbres creux. Le réservoir, particulièrement préférentiel, comprend un façonnage de type hydrocyclonique, en particulier avec une section cylindrique en haut et une section conique se rétrécissant en bas qui débouche dans un échappement pour une phase solide. L'angle de conicité est sélectionné de sorte que grâce à la force de la gravité associée à une sorte d'effet d'hydrocyclone, dans lequel le solide séparé se dépose à la pointe du cône et est évacué à travers l'échappement, qui peut être également en forme de tuyère le solide glisse vers le bas, hors du réservoir (ou du tambour). L'axe de symétrie, et de préférence l'axe de rotation du réservoir, est en particulier positionné verticalement. L'invention est décrite de manière plus détaillée ci-après, en référence au dessin, à l'aide d'exemples de réalisation. Sont montrés: Figure 1 est une vue en coupe à travers un exemple de réalisation d'un dispositif de filtration selon l'invention; Figure 2 est une vue en coupe, verticale par rapport à la fig. 1, à travers un dispositif de filtration de la fig. 1, placée entre deux des arbres; et Figure 3 est une vue de profil schématique d'une partie d'un plateau à membrane pour représenter sa fonction. Les figures 1 et 2 montrent un dispositif de filtration 1 avec un réservoir non-rotatif 2 selon la figure 2, qui comporte un façonnage de type hydrocyclonique. A une section cylindrique 3 du réservoir 2, comprenant ici un axe central M positionné horizontalement ou verticalement et une arrivée 4 positionnée tangentiellement, se raccorde vers le bas une section conique, se rétrécissant 5 qui débouche vers le bas, dans un échappement 6. L'arrivée tangentielle 4 permet, si la vitesse d'alimentation du produit est suffisante, de renoncer à un entraînement motorisé du réservoir. Pour faciliter le mouvement de rotation du liquide, on peut cependant recourir, à titre d'alternative ou d'option, à un entraînement doté d'un moteur avec transmission à courroie pour mettre le réservoir en rotation (non représenté ici). Le réservoir 2 ou sa section cylindrique 3 est obturé sur sa face supérieure par une sorte de couvercle, utilisé également comme logement de palier 7 pour plusieurs arbres creux 8 à entraînement motorisé (non représenté ici) qui pénètrent par le haut dans le réservoir 2 et sont positionnés parallèlement entre eux. Les arbres creux 8 entrent ici, jusqu'au début de la section conique 5 dans le réservoir 2. Ils sont, par exemple, chacun agencés de manière rotative au moyen de deux paliers 9 dans des trous 10 du logement de palier 6, à la manière d'un palier flottant. Le palier flottant des plateaux à menbranes 11, positionnés ici verticalement, de manière avantageuse, offre comme avantage, un espace particulièrement sanitaire pour le produit dans le réservoir 2 et comme avantage supplémentaire, des frais réduits pour les composants et l'étanchéité. Si nécessaire, il est possible de poser une sorte de tôle de criblage 17 à l'extrémité opposée au logement de palier 7, comme support et atténuation des frottements des arbres creux 8, la tôle étant traversée par les arbres creux 8. Cette mesure agit positivement, en particulier lorsque la vitesse devient critique. Les paliers 9 sont protégés contre le débordement du produit par des orifices d'évacuation 16. Sur chacun des trois arbres creux 8 de la figure, dans leur partie pénétrant dans le réservoir 2, sont disposés au moins deux ou plus (plus de dix, par exemple) ou de préférence un grand nombre de plateaux à membrane 11 qui présentent ici une forme ronde et qui sont positionnés de manière concentrique par rapport aux arbres creux 8 entraînés par un moteur. Les plateaux à membrane 11 sont de préférence constitués de céramique. Ils comportent par ailleurs de préférence la structure bicouche, visible sur la figure 3 dans laquelle entre les couches de céramique principale et inférieure 18, 19 se forme un espace creux ou annulaire 20 qui débouche chacun dans au moins un canal 12 vers l'intérieur par rapport aux arbres creux 8, qui à leur tour conduisent chacun dans des canaux d'écoulement 13 débouchant vers le haut, verticalement dans les arbres creux, canaux qui à nouveau à leurs extrémités supérieures débouchent dans un trou d'écoulement (annulaire) 14 commun dans le logement de palier 6, doté d'un échappement 15 destiné à l'évacuation du liquide du dispositif de filtration. Selon les conceptions des figures 1 et 2, la taille du diamètre du plateau à membrane 11 est chaque fois sélectionné de sorte que les plateaux à membrane 11 ne chevauchent pas les arbres creux à côté 8 dans leur périphérie externe. Cette disposition a la fonction suivante: A travers l'arrivée tangentielle 4 est acheminé dans le dispositif de filtration 1 ou dans son réservoir 2, un matériau de filtration coulant qui tourne dans le réservoir. Grâce au façonnage de type hydrocyclonique, on obtient un préfractionnement qui permet de minimiser la charge en solide de la membrane. Sur les disques à membrane 11, mis en rotation par moteur électrique ou au moyen d'un système hydraulique (par exemple au-dessus du réservoir), d'autres solides sont séparés du matériau de filtration. La phase liquide filtrée s'écoule vers l'extérieur à travers les membranes des disques à membrane 11, dans leur espace annulaire, et de là, à travers les canaux 12 ainsi que les canaux d'évacuation 13, le trou d'écoulement 14 et l'échappement 15. Le solide retenu par les plages de membrane des plateaux à membrane 11 est entraîné vers l'extérieur, éloigné de la membrane par le tourbillon, puis acheminé vers l'extérieur par le bas à travers l'échappement 6. Comme expliqué précédemment, les plateaux à membrane 11 des trois arbres creux entraînés 8 ne se chevauchent pas. Les trois arbres creux entraînés 8 sont répartis régulièrement sur un cercle de rayon r1, leur rayon étant inférieur au rayon RB du réservoir 2. Le réservoir 2 est dans ce cas de préférence lui-même conçu de manière orientable ou rotative. Le champ centrifuge central principal dans le réservoir de la figure 1 peut être réalisé et réglé de manière appropriée par - des rotations du réservoir 2 au moyen de la vitesse variable et/ou - des éléments mélangeurs à réglage variable (non représentés) et/ou - une arrivée tangentielle 4. Des champs centrifuges locaux sont générés par les rotations conjointes des arbres creux 8 et des disques à membrane 11. L'action combinée de ces deux champs produit un effet de filtration et de nettoyage particulièrement bon pour une faible dépense de conception. Dans le réservoir 2 est créé un champ centrifuge principal dans lequel la pression P1 atteint une valeur maximale dans la plage périphérique et qui diminue vers l'intérieur, jusqu'à être nulle dans le centre ou l'axe de rotation. A ce champ centrifuge central principal viennent ensuite s'ajouter des champs centrifuges locaux à l'intérieur des disques à membrane. Si l'on considère un point P à l'intérieur des disques à membrane 11, on constate que la différence de pression entre la périphérie extérieure et le centre varie. Si le point considéré se trouve dans la partie la plus externe du rayon du réservoir 2, une pression périphérique P1 élevée agit sur le disque ce qui entraîne un écoulement correspondant dans le disque. Après une demi-rotation du disque, le point considéré de la membrane se trouve en revanche dans une partie plus interne du rayon du réservoir 2. Ici, la pression ambiante du disque P1' est faible, tandis que dans la partie interne du disque, la pression (P2, P2) est restée identique, de sorte qu'il se produit à présent un flux inverse à travers les disques à membrane (refluement ou backpulse). Sur la figure 1, + désigne les parties de haute pression et - , les parties de basse pression. Les champs centrifuges locaux à l'intérieur des disques à membrane 11 et le champ centrifuge principal à l'intérieur du réservoir 2 sont donc de toute façon temporairement synchronisés de sorte que la pression à l'intérieur des disques à membrane 11 est telle qu'ensuite, lorsque ceuxci tournent à travers la partie plus externe du rayon (par exemple sur la partie externe des rayons r1 sur lesquels se trouvent les centres des disques à membrane 11) du réservoir 2, le matériau centrifugé coule dans la partie externe, dans les disques à membrane 11 et ensuite, lorsqu'ils tournent à travers la partie interne du réservoir 2, une part du liquide reflue à nouveau des disques à membrane 11 dans le réservoir 2. Ce mode de fonctionnement doit être représenté par la figure 3. II est ainsi possible de générer aussi bien un refluement ou une fréquence "backpulse" très élevé qu'un refluement ou "backpulse" sans à-coups, protecteur. Grâce à l'effet de nettoyage des disques à membrane 11 pendant ce mode de fonctionnement, réglé de façon au moins temporaire, les procédures de nettoyage optionnelles avec arrêt complet du dispositif de filtration centrifuge ne sont plus que rarement nécessaires. Références au dessin Dispositif de filtration 1 Réservoir 2 Section cylindrique 3 Arrivée tangentielle 4 Section conique 5 Echappement 6 Logement de palier 7 Arbres creux 8 Palier 9 Trous 10 Plateau à membrane 11 Canal 12 Canaux d'évacuation 13 Trous d'évacuation 14 Echappement 15 Orifices de vidange 16 Tôle de criblage 17 Couches de céramique 18, 19 Espace creux 20 Axe central M Distance a Largeur b Revendications 1. Dispositif de filtration (1) destiné à un produit à filtrer susceptible de s'écouler comportant un réservoir (2) avec une entrée, dans laquelle est disposé au moins un arbre creux (8), sur lequel sont posés des plateaux de filtres multicouches, excentrés les uns par rapport aux autres, en particulier des plateaux à membrane multicouches, creux à l'intérieur (11), caractérisé en ce que - le récipient (2) présente une section cylindrique (3) et une section conique (5) se rétrécissant qui débouche dans un échappement (6) pour une phase solide, les plateaux à filtres n'étant prévus que dans la section cylindrique (3) du récipient (2), - dans le réservoir (2) plus d'un, de préférence plus de deux arbres creux (8) munis de plateaux à filtre (11) sont répartis de sorte que les arbres 15 creux à côté des plateaux à membrane ne se chevauchent pas, les arbres creux entraînés (8) sont rotatifs par rapport au réservoir (2) avec une vitesse variable, de sorte qu'en fonctionnement, des champs centrifuges locaux peuvent être générés dans la partie entourant les arbres creux, - un équipement est prévu pour la génération d'un flux centrifuge principal dans le réservoir (2). 2. Dispositif de filtration selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plateaux à membrane (11) sont constitués de céramique et comportent une structure multicouche et en particulier bicouche, dans laquelle entre les deux couches de céramique supérieure et inférieure se forme un espace annulaire qui débouche vers l'intérieur, dans les canaux d'écoulement (13) disposés dans les arbres creux. 3. Dispositif de filtration selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'équipement de génération d'un flux centrifuge principal dans le réservoir (2) comporte un entraînement rotatif pour le réservoir. 4. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'équipement de génération d'un flux centrifuge principal dans le réservoir (2) comporte un équipement de mélange pour le matériau centrifugé dans le réservoir (2). 5. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'équipement de génération d'un flux centrifuge principal dans le réservoir est réalisé sous forme d'arrivée tangentielle dans une section cylindrique du réservoir. 6. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que trois des arbres creux (8) sont répartis régulièrement sur 5 un cercle de rayon r1 dans le réservoir (2). 7. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le diamètre de chaque plateau à membrane (11) est plus petit que le rayon du réservoir (2) dans la section cylindrique. 8. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les arbres creux (8) sont positionnés verticalement. 9. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que sur chaque arbre creux (8) est disposé un grand nombre de plateaux à membrane (11). 10. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réservoir (2) comporte un façonnage de type hydrocyclonique. 11. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le réservoir (2) comprend une section cylindrique (3) et une section conique se rétrécissant (5), qui débouche dans un échappement (6) pour une phase solide. 12. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le réservoir (2) est obturé par un couvercle, utilisé également comme logement de palier (7) pour les arbres creux (8) qui positionnés parallèlement entre eux, pénètrent par le haut dans le réservoir (2). 13. Procédé pour le fonctionnement d'un dispositif de filtration selon l'une au moins des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que dans le réservoir est généré un champ centrifuge principal et que localement sont générés dans la partie de chaque arbre creux (8) et de leurs plateaux à membrane (11), des champs centrifuges locaux. 14. Procédé de fonctionnement d'un dispositif de filtration selon la revendication 13, caractérisé en ce que les champs centrifuges locaux à l'intérieur des plateaux à membrane creux (11) et le champ centrifuge principal à l'intérieur du réservoir (2) sont de toute façon temporairement synchronisés, de sorte que la pression à l'intérieur des plateaux à membrane (11) est telle que lorsque les plateaux à membrane tournent à travers la partie la plus externe du rayon du réservoir (2), le matériau centrifugé coule dans la partie externe dans les plateaux à membrane (11) et ensuite lorsqu'ils tournent à travers la partie plus interne du rayon du réservoir (2), une part du liquide reflue à nouveau des plateaux à membrane (11) dans le réservoir (2).