Brevet FR2909008A1 — publié le 20080530

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine des installations et équipements réalisant la filtration tangentielle de liquides chargés de particules. L'invention vise plus particulièrement les équipements pour la filtration tangentielle des bourbes, des lies de vins, de moûts, des jus de fruits ou de liquides analogues fortement chargés en particules essentiellement organiques, issues de la préparation de ces liquides ou de tout procédé de transformation ayant abouti à cette concentration. L'invention a, dans ce contexte, pour objet un dispositif pour empêcher la formation de dépôts au niveau des entrées des membranes capillaires ou tubulaires d'un module de filtration tangentielle. Le principe de la filtration tangentielle est bien connu. Dans ce type de filtration, le liquide à filtrer circule le long d'une membrane perméable, c'est-à-dire de façon tangentielle à la membrane, la filtration étant réalisée par le différentiel de pression existant de part et d'autre de la membrane. Le seuil de coupure de la membrane détermine le niveau de filtration ou la taille des particules retenues par la membrane. Le flux tangentiel mis en oeuvre dans ce procédé de filtration permet de décolmater en continu la surface de la membrane par la circulation du liquide pendant la filtration. Ainsi, le liquide à traiter est amené à circuler le long d'une membrane qui retient les particules au dessus d'une taille déterminée et laisse passer les composantes liquides et les particules de faible taille sous l'effet de la pression fournie par l'alimentation en liquide à traiter. Généralement, les membranes sont conformées en tubes ou conduits et arrangées en faisceaux dans des modules allongés comportant chacun un côté alimentation relié à un conduit amenant le liquide à filtrer sous pression, un côté opposé d'évacuation pour la sortie du rétentat provenant des différents tubes membranaires (éventuellement réinjecté) et au moins une sortie pour le perméat se retrouvant dans les espaces interstitiels entre les tubes membranés. Un type de membranes couramment utilisé pour la mise en oeuvre de la filtration tangentielle sont les membranes dites capillaires ou tubulaires, c'est-à-dire en forme de tubes à section tubulaire de faible 2909008 -2- diamètre. Ce dernier est choisi en fonction de la nature du liquide à filtrer : turbidité, viscosité, pourcentage de matières humides, taille maximale des charges, ... Ces membranes tubulaires ou capillaires sont arrangées en 5 faisceau et généralement montés dans un corps creux cylindrique dans lequel ils sont assemblés entre eux, à leurs extrémités opposées, par une couche de résine de liaison et de fermeture des espaces interstitiels destinés à collecter le perméat. La mise à niveau des entrées des membranes tubulaires ou capillaires forme ainsi un plan d'entrée commun. 10 La figure 1 montre, à titre d'exemple non limitatif, un module de filtration tangentielle du type évoqué ci-dessus. La figure 2 est une vue partielle en coupe, à une autre échelle, de la partie supérieure du module représenté sur la figure 1. Vue de dessus, dans la direction du flux de circulation, les 15 entrées des membranes tubulaires ou capillaires forment les ouvertures d'une plaque perforée. Or, lors de la filtration de bourbes, de moûts ou de produits similaires, tels que jus de fruits, ou de façon plus générale de produits contenant des précurseurs de matières fibreuses telles que matières 20 cellulosiques, il se forme à l'entrée des membranes tubulaires ou capillaires un dépôt fibreux venant obstruer lesdits capillaires et empêchant la circulation dans ces derniers. Le principe de décolmatage par circulation tangentielle le long de la face interne du capillaire ou tube n'est dans ce cas plus assuré. La filtration se réduit à une filtration frontale avec un risque de 25 colmatage rapide. De plus, ce dépôt fibreux au niveau des entrées des membranes tubulaires ou capillaires constitue en lui-même un piège pour les particules plus fines, le tout formant in fine un agglomérât qui obstrue totalement lesdites entrées (voir figure 2). 30 Ce type de dépôt n'est pas éliminé par les opérations de lavage ou de rinçage quelle que soit la température de l'eau et quel que soit l'additif utilisé, dans le cycle traditionnel de fonctionnement du filtre. Un but de la présente invention est de proposer une solution simple évitant la formation des dépôts fibreux précités, et/ou éliminant de 35 tels dépôts lorsqu'ils sont formés. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour empêcher la formation de dépôts au niveau des entrées des membranes tubulaires ou 2909008 -3capillaires d'un module de filtration tangentielle pour liquides chargés de particules, essentiellement de particules organiques, notamment de précurseurs de matières fibreuses, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement au moins un moyen fonctionnel réalisant une action, 5 continue ou intermittente, de raclage ou d'écrêtage dans le plan d'entrée commun du faisceau de membranes tubulaires ou capillaires du module de filtration considéré ou dans un plan parallèle audit plan. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre 10 d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 3 est une vue partielle en coupe et en perspective de la partie supérieure d'un module de filtration tangentielle comportant un dispositif selon une première variante d'un premier mode de réalisation de 15 l'invention en accord avec une solution de type mécanique ; la figure 4 est une vue partielle en coupe et en perspective de la partie supérieure d'un module de filtration tangentielle comportant un dispositif selon une seconde variante du premier mode de réalisation de l'invention en accord avec une solution de type mécanique ; 20 les figures 5 et 6 sont des représentations schématiques en coupe de la partie supérieure d'un module pourvu d'un dispositif selon deux autres modes de réalisation de l'invention en accord avec une solution de type mécanique ; la figure 7 est une vue à une autre échelle du détail A de la 25 figure 6 montrant un dispositif selon l'invention en accord avec une solution de type hydraulique, combiné à une solution de type mécanique ressortant des figures 5 et 6, et la figure 8 est une vue partielle en perspective, avec le boîtier du module partiellement enlevé, d'un module de filtration tangentielle 30 équipé d'un dispositif selon l'invention en accord avec une variante de la solution de type hydraulique. Les figures 3 à 8 des dessins annexés montrent un dispositif 1 pour empêcher la formation de dépôts 2 au niveau des entrées 3' des membranes tubulaires ou capillaires 3 d'un module de filtration tangentielle 4 pour liquides chargés de particules, essentiellement organiques, notamment de précurseurs de matières fibreuses. 2909008 -4- Conformément à l'invention, ce dispositif 1 comprend essentiellement au moins un moyen fonctionnel 5 réalisant une action, continue ou intermittente, de raclage ou d'écrêtage dans le plan d'entrée commun PE du faisceau de membranes tubulaires ou capillaires 3 du 5 module de filtration 4 considéré ou dans un plan parallèle audit plan PE. En accord avec un premier type de solution possible conforme à l'invention, ledit au moins un moyen fonctionnel 5 se présente sous la forme d'un organe de raclage 5 avec au moins une arête de raclage 6 circulant à une distance d déterminée par rapport au plan d'entrée commun 10 PE ou dans ce plan PE, ledit organe de raclage 5 étant monté à pivotement ou à rotation autour d'un axe X sensiblement perpendiculaire et centré par rapport audit plan d'entrée PE (Fig. 3 à 6). L'arête de raclage 6 constitue la partie de l'organe de raclage 5 la plus proche du plan d'entrée PE. L'organe de raclage 5 est adapté en taille 15 (longueur) à la section du faisceau de membranes tubulaires ou capillaires 3 au niveau du plan d'entrée PE et peut comprendre un(e) ou plusieurs branches ou bras animé(e)s d'un mouvement de balayage guidé, du fait de leur montage rigide sur un arbre ou une tige 10 animé(e) d'un mouvement de rotation. 20 Lorsque l'arête de raclage 6 est une arête rigide, la distance d séparant l'arête ou chaque arête de raclage 6 du plan d'entrée commun PE est, d'une part, suffisamment faible pour éliminer les dépôts 2 susceptibles d'empêcher ou de perturber le flux tangentiel recherché dans les membranes tubulaires ou capillaires 3 et, d'autre part, suffisamment importante pour 25 autoriser un(e) libre rotation ou pivotement dudit organe de raclage 5. Cette distance d (généralement comprise entre une fraction de millimètre et quelques mm) peut être déterminée expérimentalement et, le cas échéant, être réglée en fonction de la nature des substances formant les dépôts. En variante, ladite au moins une arête de raclage 6 peut être une 30 arête souple, glissant en appui sur le plan d'entrée commun PE du faisceau de membranes tubulaires ou capillaires. Selon un premier principe de fonctionnement du dispositif 1, l'entraînement de l'organe de raclage 5 est réalisé par le flux de circulation F du liquide à filtrer, par l'intermédiaire d'un organe d'entraînement 7 exposé 35 audit flux F et générant un mouvement de rotation. Dans ce cas, aucune source d'énergie, ni aucun actionneur spécifique n'est nécessaire et le 2909008 -5- raclage s'effectue automatiquement, avec une intensité en rapport avec l'importance du flux de circulation. En accord avec un premier mode de réalisation mettant en oeuvre le principe précité, représenté sur les figures 3 et 4, l'organe de 5 raclage 5 et l'organe d'entraînement 7 de ce dernier sont confondus et consistent en une hélice à au moins deux pales 8 ou en une roue à ailettes. En accord avec un second mode de réalisation mettant également en oeuvre le principe précité, et comme le montre la figure 5, l'organe d'entraînement 7 est distinct de l'organe de raclage 5, est choisi 10 dans le groupe formé par une hélice, une roue à ailettes ou à aubes, une turbine ou analogue et est monté dans le compartiment ou embout d'entrée 4' du module de filtration 4 ou dans le conduit d'alimentation 9 de ce dernier, sur un arbre 10 portant également l'organe de raclage 5. Le montage rotatoire de l'organe de raclage 5, combiné avec 15 l'organe 6 d'entraînement en rotation ou associé à ce dernier sur un(e) même arbre ou tige 10, peut être réalisé au moyen d'un palier rapporté ou ménagé dans le faisceau de membranes tubulaires ou capillaires 3, d'un palier rapporté ou ménagé dans le conduit d'alimentation 9 ou de deux paliers opposés prévus dans les deux éléments précités. 20 De manière avantageuse, il peut être prévu une construction telle que l'organe d'entraînement 7 et/ou l'organe de raclage 6 réalise une déviation ou une organisation du flux de circulation F alimentant le module de filtration 4 de manière à produire un flux laminaire ou à action laminaire au niveau des entrées 3' des membranes tubulaires ou capillaires 3. 25 Selon un second principe de fonctionnement, illustré par le mode de réalisation représenté sur la figure 6, l'entraînement de l'organe de raclage 5 est réalisé par un actionneur 11, à fonctionnement continu ou commandé à intervalles réguliers ou en fonction d'au moins un signal de capteur. 30 Conformément à une caractéristique avantageuse, l'actionneur 11, par exemple sous la forme d'un moteur situé à l'extérieur du circuit de circulation, est commandé par un automate ou une unité de commande analogue, le cas échéant en fonction d'au moins un signal délivré par au moins un capteur par exemple de pression, de débit ou autre. 35 L'actionneur 11 lui-même pourra être situé en partie haute ou basse du module 4, en fonction du montage de l'organe 5. 2909008 -6- Ainsi, l'invention propose, selon une réalisation préférentielle, une solution permettant d'empêcher la formation du ou des dépôt(s) 2 au-dessus des entrées 3' des membranes tubulaires ou capillaires 3 par une double action : action de raclage de la surface de plan d'entrée PE des 5 membranes tubulaires ou capillaires 3 pendant la phase de circulation du liquide filtré et action de déviation du flux entrant dans les membranes tubulaires ou capillaires 3 de façon à donner au flux une action laminaire ne favorisant pas les dépôts fibreux 2. Comme décrit ci-dessus, ladite solution repose sur l'utilisation 10 du flux généré par la circulation. L'action provoquée et exploitée consiste d'une part à dévier le flux d'entrée dans les membranes tubulaires ou capillaires 3 et d'autre part à utiliser l'énergie de ce flux de circulation pour faire tourner un organe de raclage 5 à la surface du module 4 (plan d'entrée PE). La distance minimale entre cet organe 5 et la surface du module 4 doit 15 être suffisamment importante pour permettre la rotation de l'hélice racleuse et suffisamment faible pour empêcher la formation du dépôt 2. En accord avec un second type de solution possible conforme à l'invention, ledit au moins un moyen fonctionnel 5 consiste en un moyen de génération d'au moins un jet tangentiel de liquide compatible avec le liquide 20 à filtrer, par exemple sous la forme d'une pluralité de jets fixes ou d'un jet balayant dirigé(s) dans un plan parallèle au plan d'entrée PE des membranes tubulaires ou capillaires 3 (Figures 7 et 8). De manière avantageuse, l'alimentation du moyen de génération d'au moins un jet tangentiel de liquide est commandé par un automate, le 25 cas échéant en fonction d'au moins un signal délivré par au moins un capteur. On obtient ainsi une solution permettant d'éliminer de façon automatique les dépôts 2 formés, ce par une action de pulvérisation tangentielle et alternée, agissant à la section d'entrée des membranes 30 tubulaires ou capillaires, d'un jet d'eau ou d'un jet de même nature que le liquide filtré de façon à nettoyer les entrées obstruées 3'. Ce deuxième type de solution permet ainsi de nettoyer les surfaces des modules 4 par pulvérisation d'un jet d'eau tangentiel à la surface d'entrée dont l'effet se rapprocherait d'une opération de raclage de la 35 surface. Cette solution peut consister à faire tourner un jet d'eau sensiblement laminaire au-dessus de la surface du module 4 correspondant 2909008 -7- au plan PE (Fig. 8) ou à implanter des buses 12 débouchant périphériquement immédiatement au-dessus du plan PE (Fig. 7). La rotation du conduit 12 avec une bouche de sortie en forme de fente, générant un jet de raclage sensiblement laminaire, peut être obtenue soit directement par le 5 flux impactant ledit conduit, soit par un actionneur externe. Ce conduit 12 pourra être monté par une section droite au niveau d'un palier du conduit d'alimentation fournissant un axe de rotation X (Fig. 8). Ce jet peut aussi être produit par un tuyau coudé implanté en partie supérieure du conduit d'alimentation 9. 10 Les deux types de solutions évoquées ci-dessus peuvent être mises en oeuvre de manière alternative ou combinée. Dans ce dernier cas, le dispositif comprendra alors au moins deux moyens fonctionnels 5, à savoir au moins un moyen de raclage de type mécanique sous la forme d'un organe 5 de raclage mobile avec au moins 15 une arête de raclage 6 et au moins un moyen de raclage 5 de type hydraulique, par exemple sous la forme d'un moyen 12 de génération d'au moins un jet de liquide (Fig. 7). L'invention concerne également une installation de filtration comprenant au moins un module de filtration tangentielle, le, au moins un 20 ou chaque module intégrant un faisceau de membranes tubulaires ou capillaires avec un plan d'entrée commun pour ces derniers, installation, caractérisée en ce que le ou au moins un module 4 comporte un dispositif 1 pour la réduction ou l'élimination préventive et/ou curative des dépôts, notamment de nature fibreuse, au niveau des entrées 3' des membranes 25 tubulaires ou capillaires 3, du type décrit ci-dessus. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour 30 autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour empêcher la formation de dépôts au niveau des entrées des membranes tubulaires ou capillaires, d'un module de filtration tangentielle pour liquides chargés de particules, essentiellement de particules organiques, notamment de précurseurs de matières fibreuses, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement au moins un moyen fonctionnel (5) réalisant une action, continue ou intermittente, de raclage ou d'écrêtage dans le plan d'entrée commun (PE) du faisceau de membranes tubulaires ou capillaires (3) du module de filtration (4) considéré ou dans un plan parallèle audit plan (PE). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un moyen fonctionnel (5) se présente sous la forme d'un organe de raclage (5) avec au moins une arête de raclage (6) circulant à une distance (d) déterminée par rapport au plan d'entrée commun (PE) ou dans ce plan (PE), ledit organe de raclage (5) étant monté à pivotement ou à rotation autour d'un axe (X) sensiblement perpendiculaire et centré par rapport audit plan d'entrée (PE). 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite au moins une arête de raclage (6) est une arête rigide et en ce que la distance (d) séparant l'arête ou chaque arête de raclage (6) du plan d'entrée commun (PE) est, d'une part, suffisamment faible pour éliminer les dépôts (2) susceptibles d'empêcher ou de perturber le flux tangentiel recherché dans les membranes tubulaires ou capillaires (3) et, d'autre part, suffisamment importante pour autoriser un(e) libre rotation ou pivotement dudit organe de raclage (5). 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que en ce que ladite au moins une arête de raclage (6) est une arête souple, glissant en appui sur le plan d'entrée commun (PE) du faisceau de membranes tubulaires ou capillaires. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'entraînement de l'organe de raclage (5) est réalisé par le flux de circulation (F) du liquide à filtrer, par l'intermédiaire d'un organe d'entraînement (7) exposé audit flux (F) et générant un mouvement de rotation. 2909008 -9- 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe de raclage (5) et l'organe d'entraînement (7) de ce dernier sont confondus et consistent en une hélice à au moins deux pales (8) ou en une roue à ailettes. 5 7) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe d'entraînement (7) est distinct de l'organe de raclage (5), est choisi dans le groupe formé par une hélice, une roue à ailettes ou à aubes, une turbine ou analogue et est monté dans le compartiment ou embout d'entrée (4') du module de filtration (4) ou dans le conduit d'alimentation (9) de ce 10 dernier, sur un arbre (10) portant également l'organe de raclage (5). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'organe d'entraînement (7) et/ou l'organe de raclage (6) réalise une déviation ou une organisation du flux de circulation (F) alimentant le module de filtration (4) de manière à produire un flux 15 laminaire ou à action laminaire au niveau des entrées (3') des membranes tubulaires ou capillaires (3). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'entraînement de l'organe de raclage (5) est réalisé par un actionneur (11), à fonctionnement continu ou commandé à intervalles 20 réguliers ou en fonction d'au moins un signal de capteur. 10) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'actionneur (11), par exemple sous la forme d'un moteur situé à l'extérieur du circuit de circulation, est commandé par un automate ou une unité de commande analogue, le cas échéant en fonction d'au moins un signal 25 délivré par au moins un capteur par exemple de pression, de débit ou autre. 11) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un moyen fonctionnel (5) consiste en un moyen de génération d'au moins un jet tangentiel de liquide compatible avec le liquide à filtrer, par exemple sous la forme d'une pluralité de jets fixes ou d'un jet 30 balayant dirigé(s) dans un plan parallèle au plan d'entrée (PE) des membranes tubulaires ou capillaires (3). 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'alimentation du moyen de génération d'au moins un jet tangentiel de liquide est commandé par un automate, le cas échéant en fonction d'au moins un signal délivré par au moins un capteur. 13) Dispositif selon l'es revendications 2 et 11, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux moyens fonctionnels (5), à savoir au moins 2909008 - 10 - un moyen de raclage de type mécanique sous la forme d'un organe (5) de raclage mobile avec au moins une arête de raclage (6) et au moins un moyen de raclage de type hydraulique, par exemple sous la forme d'un moyen de génération d'au moins un jet de liquide. 5 14) Installation de filtration comprenant au moins un module de filtration tangentielle, le ou chaque module intégrant un faisceau de membranes tubulaires ou capillaires avec un plan d'entrée commun pour ces derniers, installation, caractérisée en ce que le, au moins un ou chaque module (4) comporte un dispositif (1) pour la réduction ou l'élimination 10 préventive et/ou curative des dépôts, notamment de nature fibreuse, au niveau des entrées (3') des membranes tubulaires ou capillaires (3), selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.