Brevet FR2920099A1 — publié le 20090227

A 2920099 ETAT DE LA TECHNIQUE La difficulté principale d'utilisation de la totalité des très nombreux dispositifs de filtration ou de séparation avec la rétention de particules solides, dispersées dans un milieu liquide, se matérialise par l'obturation plus ou moins rapide des pores pratiqués dans le média filtrant et dont les dimensions déterminent le seuil de coupure ou sélectivité. La mise en oeuvre des techniques de séparations tangentielles avec des membranes organiques ou minérales dont la porosité initiale est beaucoup plus limitée est parce fait, beaucoup plus adaptée à la rétention des éléments cellulaires dont la masse est considérablement plus limitée, cela entraîne cependant des difficultés d'application pratique et en particulier de décolmatage presque insurmontable. Les divers inventeurs ou constructeurs qui se sont investis dans ce domaine matérialisent habituellement par le confinement à l'intérieur de tubes cylindriques les divers médias qui contribuent à cette séparation ou au calibrage selon leurs poids moléculaires des diverses particules en cours de translation dans un circuit fermé. Quelque soit la géométrie où les dispositifs de montage adoptés toutes les solutions actuellement proposées pour résoudre acceptablement les problèmes ainsi créés, ne proposent que la mise en oeuvre de vitesses de passage très élevées du mélange brut devant la membrane afin d'obtenir l'entraînement par ce flux, des particules de taille intermédiaire ou de densité faible donc de capacité cynétique limitée, ceci comme seule paradé afin d'éviter un colmatage trop rapide. Une autre solution qui consiste à limiter la section de passage du produit brut par des enroulements en spirales des membranes et de leurs accessoires de drainage ou de supportage a pour inconvénient majeur de limiter très sévèrement la concentration des produits bruts et les dimensions des particules à retenir. Ces contraintes fonctionnelles entraînent l'obligation avant l'injection dans ces dispositifs de prétraiter le produit brut à filtrer par des méthodes diverses dont l'adjonction d'additifs divers .Ces servitudes fonctionnelles n'évitent pas le colmatages globalet fréquent des appareillages ainsi conçus. 2920099 Ces caractéristiques limitent l'utilisation de ces 5 dispositifs à des produits bruts très largement préalablement épurés comme les réseaux d'eaux saumâtres dans les unités de déssalement d'eaux de mer. Dans le milieu médical ces contraintes d'utilisation 10 pratique ont provoquées des recherches technologiques afin que les dispositifs membranaires puissent contribuer exclusivement par des voies physiques sans modifications biochimiques des produits bruts en cours le traitement à la sélectivité de la séparation des éléments de tissus 15 biologiques. Ces travaux sont principalement à mettre au crédit de la société américaine dirigée par le Dr PALL . Ils ont débouchés, sur des dispositifs avec la mise en oeuvre de membranes en 20 géométrie plane, disposées chacune sur son support circulaire eux- même empilés verticalement à l'intérieur d'une structure de contention de la pression du produit à traiter. Néanmoins ce dispositif s'il donnait à un espace suffisant théoriquement pour éviter des colmatages rapides par l'accumulation de sédiments 25 dans les sections de passage insuffisante, ne pouvait au mieux évacuer ces matières en cours d'accumulation à la surface des membranes qu'en mobilisant à la fois la pression et la vitesse de circulation du produit. Cette pratique entraîne de facto, l'inconvénient majeur d'exiger des sections de passage 30 beaucoup plus importantes, donc la mise en oeuvre de dispositifs hydrauliques beaucoup plus puissants, pour être adaptés et donc forcément beaucoup plus coûteux et voraces en énergie. 35 Sur des géométries voisines deux inventeurs ont proposé d'intercaler entre chaque ensemble de membranes et de ses supports une hélice analogue dans son principe de mise en oeuvre, à celui qu'utilisent les navires pour se propulser, ou beaucoup plus plane pour une deuxième réalisation . Ces 40 dispositifs supplémentaires devaient, dans les déclarations de leurs inventeurs provoquer l'évacuation des sédiments bloqués au contact de la membrane, par une agitation locale afin de 2920099 déplacer ces particules et de les remettre dans le flux général du produit brut. Or ces dispositifs restent totalement sans effet sur les 5 phénomènes de tension de surface ou et de polarisation de ces milieux ainsi que les très faibles différences de densité entre particules biologiques et leurs liquides de transfert. Ces particularités rendaient très peu efficace ce dispositif 10 d'hélice pour nettoyer la surface des membranes. La présente invention apporte un remède à ces difficultés pratiques de mise en oeuvre des filtrations tangentielles avec mise en oeuvre en particulier des membranes organiques. 15 Comme tous les professionnels impliqués dans ce genre d'application, le promoteur du dispositif dont il est ici demandé la propriété intellectuelle, a été confronté successivement à la mise en oeuvre de tous ces nombreux dispositifs et c'est l'impossibilité de répondre à ses objectifs qualitatifs et 20 économiques dans le domaine de ces séparations des composants des suspensions biologiques aqueuses qui ne l'ont amené à rechercher puis tester en conditions pratiques à un nouveau dispositif . 25 DESCRIPTION DU DISPOSITIF OBJET DU BREVET C'est sur la base de la visualisation des contraintes mécaniques engendrées par la circulation de volumes 30 importants de ces suspensions biologiques aqueuses dans les chicanes des supports de membranes sur les dispositifs existants. Leurs caractéristiques principales de réalisation et de fonctionnement sont brièvement rappelées ci-dessus dans l'état de la technique. L'inventeur pour résoudre cette 35 problématique générale a recherché des solutions susceptibles d'améliorer considérablement l'écoulement des produits bruts à traiter, car une telle solution permettrait de s'affranchir de la plupart des contraintes induites par les dispositifs existants. II lui est vite apparu, que l'utilisation de simple disques en 40 rotation permanente qui balayaient à proximité immédiate de la surface théoriquement parfaitement plane des membranes ne produisaient pas cet effet de décolmatage par expulsion vers la périphérie des matières accumulées ou retenues en surface. i 2920099 Les actions ci-dessus mentionnés n'étaient pas suffisantes pour contrecarrer la permanence de ces phénomènes. De plus les déformations éventuelles des supports de membranes sous l'effet de la pression de 5 circulation des fluides bruts provoquaient souvent la formation d'aspérités ou de plis sur certaines zones des membranes bien qu'elles soient théoriquement plaquées sur leurs supports rigides. 10 Ensuite très rapidement cela provoquait leur arrachement avec immobilisation totale de l'appareil après pollution des filtrats déjà obtenus donc l'obligation d'un nettoyage total du dispositif et le changement coûteux des membranes. 15 Il s'est avéré constamment au cours d'essais répétitifs, avec des dispositifs pilotes, que ce disque disposé dans la cavité ménagée entre deux membranes successives devait sur la première face conduire le fluide brut en transfert vers l'extérieur à la périphérie des membranes, puis sur la face 20 opposée le ramener vers le centre à proximité immédiate de l'arbre d'entraînement de ces disques afin d'améliorer les écoulements dans cette zone qui constituait initialement un goulot d'étranglement, ou s'opposait dans les autres dispositifs naturellement deux flux opposés avec formation de turbulences 25 considérables. Cette disposition était à l'origine des surpressions identifiées par les contraintes mécaniques. Ainsi pour rester efficace, ce disque devait engendrer une circulation centrifuge sur l'une de ses faces et centripète sur 30 l'autre face. Un rapprochement avec que des bureaux d'études spécialisés dans la conception de Pompes centrifuges pour les industries pétrolières nous nous a confirmé qu'aucune donnée scientifique n'existait sur ce genre de dispositif. L'application en était donc nouvelle et motive donc cette demande de brevet 35 d'invention. Les schémas disposés sur les planches annexes expliquent avantageusement la simplicité évidente du dispositif proposé. Ils sont également porteurs du dessin des arêtes 40 disposées de part et d'autre du nouveau disque de décolmatage dont la géométrie, les profils, l'inclinaison, accélère la circulation directionnelle du fluide brut au contact des membranes, limitent l'énergie mécanique nécessaire à leur 5 2920099_ rotation, qui ainsi favorisent le fonctionnement de l'ensemble à chaque étage. Cette modification profonde de la circulation des fluides à 5 l'intérieur de la cavité contenant l'ensemble des membranes et des dispositifs mécaniques fixés sur l'arbre d'entraînement des disques provoquent également après la circulation sur de nombreux étages successifs, une teneur plus forte en extrait sec du concentrat qui par nature améliore ainsi la performance 10 économique de l'appareillage. Cette disposition caractérisée par la mise en place à proximité immédiate des membranes d'un dispositif d'accélération de la vitesse de passage du fluide brut, 15 contribue à l'entraînement des particules constituent en la couche limite où se développent des liaisons physico-chimiques entre les particules organiques plus légères que les matières minérales dont la densité largement supérieure se trouve dotée par le système de pompes d'alimentation d'une énergie 20 cinétique beaucoup plus importante qui en favorise la circulation avec l'ensemble des matières à séparer immergées dans le produit brut. Par la modification selon les spécifications de ce brevet de la forme de ce disque de ses arêtes quand celle-ci se sont inclinées par rapport au sens de 25 rotation et quelle forme un angle d'environ 60 vers l'arrière il se produit naturellement un phénomène d'extrados , c'est-à-dire de moindre pression donc de capacité d'inspiration qui contribue incontestablement au décollement des matières en cours de dépôt sur la membrane par les phénomènes physico- 30 chimiques cités plus haut. Dès lors cette disposition provoque la dispersion de la couche d'un agglomérat de particules organiques de faible densité apparente mais que la pression générée par les pompes de circulation du produit brut, compacte et provoque donc une obturation rapide des pores 35 calibrés de la membrane. Le colmatage progressif limite très rapidement le rendement effectif du dispositif en filtrat, et la seule solution disponible habituellement consiste à augmenter la pression 40 hydraulique dans le circuit avec ses effets directs augmentent les difficultés d'utilisation, favorisent l'incrustation des particules dans les pores des membranes , et impliquent obligatoirement le passage d'une solution de nettoyage dont les composants chimiques devront après les avoir pénétré les matières déposées, en inverser les liaisons physico-chimiques entre les particules, qui progressivement mais souvent très rapidement, constituent devant la membrane un obturateur global qui limite le passage du filtrat jusqu'à son blocage total. Cette intervention de nettoyage qui seule permet de redonner à une membrane plane évidemment endommagée une nouvelle période d'utilisation avec une efficacité très acceptable, est en fait très souvent pour les autres membranes disposées en enroulements spiralés dans des tubes fermés, un colmatage quasiment irrémédiable et provoque habituellement leur mise hors d'usage. Ensuite interviendra l'obligation d'éliminer les matériaux composites peu dégradables naturellement et donc incompatibles avec les contraintes écologiques. Ce sont ces risques fréquents, qui ont amené l'inventeur a développé des dispositifs mécaniques différents pour une meilleure adaptation à la séparation sélective pour les matières organiques dispersées dans les suspensions aqueuses . Le phénomène local de large diminution de la pression instantanée, synchronisée par le passage des arêtes avec le balayage de la couche limite au contact direct de la membrane, est en réalité répété à chaque passage d'une arrête du disque et sur chaque face de celui-ci, qui peut en compter entre 4 et 12 comme on peut le voir sur les schémas en référence. Un des effets secondaires de ce dispositif consiste à nouveau à limiter l'énergie mécanique nécessaire à la rotation de l'ensemble des disques et donc d'entraîner une économie d'énergie nécessaire à l'utilisation. Il est évident, que cette économie est d'autant plus marquante que le diamètre des disques devient lui-même plus important dans la mesure où la résistance à la rotation augmente selon le carré du rayon de rotation. %~niNeJ::E _ Figure I : schéma d'ensemble d'une cuve d'essais de filtration tanMentielle. Position de la cuve : arbres d'entraînement vertical. Caractéristiques techniques du dispositif en références : Empilage de divers composants ci-dessous mentionnés et décrits pour les éléments essentiels. Il faut rappeler que dans cet appareil d'essais et l'étanchéité et le serrage des éléments statiques et principalement des blocs de membranes d'une part se fait par l'extérieur, d'autre part celui des disques tournants positionnés sur l'arbre même s'ajuste de façon indépendante par serrage après montage de l'ensemble des disques et des membranes, par un écrou en tête de cet arbre de rotation. 1. ensemble de deux membranes planes disposaient sur les faces supérieures et inférieures du support central de drainage du filtrat vers l'extérieur de la cuve de filtration par des orifices pratiqués dans l'entretoise de contention. La fonction de ces différents éléments composant l'ensemble membranes et d'assurer la séparation entre le produit brut généralement une suspension aqueuse et des particules diverses. 2. Disques tournants qui peuvent être réalisés en diverses matières selon les applications désirées. Ces disques que sont entraînés par une bague rendue solidaire de l'arbre par une clavette. Ces disques peuvent être usinés de façon particulière pour répondre aux objectifs fonctionnels. Leur rôle essentiel est d'assurer le décolmatage des membranes. 3. Entretoise circulaire avec des mâchoires de serrage extérieures pour la contention des plateaux filtrants composés par le support central de drainage, les médias filtrants intermédiaires de supportage et les membranes de chaque faces fixée par des brides emboîtement avec juin à leur centre. 4. Arbre d'entraînement avec une clavette, peut être fonctionnel en position verticale ou horizontale. Il peut être également massif ou réalisé dans un tube préalablement usiné afin d'assurer la distribution du produit brut à filtrer aux divers étages de membranes. 5. Embase sur le modèle d'essai considérablement simplifié cette pièce est massive car elle est plane et doit résister à des pressions importantes (jusqu'à 80 bar). Sur des appareils plus industriels cette pièce peut être réalisée avec des fonds bombés conçus et fabriqués pour ce type d'application. 6. Opturateur comme pour l'embase cette pièce représentée plane également être réalisée avec des fonds bombés. 7. Enceinte de confinement cet appareil d'essais comprend une cuve externe éventuellement translucide dont le rôle est d'assurer la collecte du filtrat qui s'échappe naturellement par l'ensemble des orifices pratiqués dans les entretoises pour relier le support des membranes avec l'extérieur. Nota : Sur le schéma général en partie droite les flèches indiquent que le circuit du produit brut pour progresser vers la sortie de la cuve de filtration au travers des multiples chicanes . Par contre on remarquera qu'à gauche les cercles entre la périphérie des disques de décolmatage et les membranes inférieures et supérieures, avec pour limite la paroi intérieure des entretoises, met en évidence les zones de turbulence majeure avec inversion du sens des courants entre les deux faces. .bJ 2920099 -niteea~ Figure 2 : schéma d'ensemble d'un disque de décolmatage des membranes en géométrie plane pour filtration tangentielle. Position des éléments sur le schéma ci-dessous: avec l'arbre d'entraînement vertical. Caractéristiques techniques de présentation graphique du dispositif en références : le schéma ci-dessous a pour but l'essentiel de visualiser les détails le positionnement des différents éléments composant le disque de décolmatage proprement dit, et à titre indicatif ces caractéristiques fonctionnelles par rapport au sous-ensemble de filtration composé principalement de ses deux membranes , de son support intérieur avec ces tissus de drainage, l'entretoise de positionnement et d'empilage et enfin la bride double d'étanchéité sur la partie centrale à proximité de l'arbre de cet ensemble. Sur cette planche figure 2 pourra donc observer et positionner selon les éléments selon nomenclature ci-après : 2-1 plan général du disque décolmatage en vue de dessus. 2-2 Coupe selon A B indication de l'empilage de composants 2-3 Coupe selon C D avec le positionnement des composants de l'ensemble membranes. 2-4 Implantation et profil sommaire des aubages implantés sur le disque . La face présentée concerne l'effet centrifuge. 2-5 Bague de centrage du disque sur l'arbre avait passage de la clavette d'entraînement. 2-6 Arbre d'entraînement avait boîtier de centrage et bague d'étanchéité. 2-7 Modèle d'inclinaison des aubages entre 60 et 30 par rapport au plan de rotation. 2-8 Indications de localisation des zones de pression modifiée sur les membranes par l'action des aubages : A zone apprécions augmentée par la rotation, B Zone d'extrados avec pression diminuée 2-9 Diminution de l'épaisseur en profil périphérique des disques pour faciliter l'évacuation des substrats 2-10 localisation sur un ensemble membrane de la face avec action centrifuge 2-11 localisation sur un ensemble membranes de la face avec action centripète. 2-12 Liaisons corps du disque et aubages. 2-13 Entretoise de ensemble membrane 2-14 Bride centrale double de fixation et d'étanchéité de ensemble membrane Nota : Ce schéma général est destiné à éclairer l'ensemble du texte décrivant l'invention dont le nombre de détails d'exécution peuvent faire évidemment l'objet d'évolution ou de modifications mineures sans pour autant remettre en cause l'intérêt de leurs fonctionnalités essentielles. REVENDICATIONS 1. Dispositif de filtration d'une suspension liquide à filtrer comportant des membranes poreuses de filtration tangentielle et des disques de décolmatage dynamique desdites membranes caractérisé en ce que les disques comportent des arêtes galbées selon un profil adapté à la mise en mouvement de la suspension liquide à filtrer. 2. Dispositif de filtration selon la revendication 1 caractérisé en ce que les arêtes sont formées d'une part sur la face des disques d'arrivée du fluide, leur orientation étant telle qu'elles sont aptes à générer un effet centrifuge, et d'autre part sur la face des disques de retour du fluide, orientées vers le centre du disque pour générer un effet centripète. 3. Dispositif de filtration selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les arêtes sont aptes à éviter les turbulences majeures dans la phase liquide à la périphérie des disques. 4. Dispositif de filtration selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce 20 que il comporte une pompe d'alimentation soumettant la suspension liquide à filtrer à une pression comprise entre 2 et 6 bars. 5. Dispositif de filtration selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que il comporte une multiplicité de membranes et de disques montés en série dans une 25 même cuve. 30