Brevet FR2957527A1 — publié le 20110923

FILTRE SELECTIF DE GAZ DESCRIPTION L'invention concerne un filtre sélectif de gaz, conçu notamment pour séparer des gaz de poids moléculaire très différents dans un courant à faible vitesse. Elle concerne aussi une application de ce filtre au confinement du radon en le séparant d'un gaz plus léger tel que l'hydrogène dont on cherche au contraire l'évacuation. Les filtres usuels reposent souvent sur l'emploi de milieux poreux (en céramique ou métal, ou liquides, etc.) de corps tels que des charbons actifs qui fixent certains composants de l'écoulement qui les parcourt. Ils ont l'inconvénient de nécessiter régulièrement des entretiens puisqu'ils se colmatent ou se saturent. Ils ne conviennent normalement pas comme filtres sélectifs de mélanges gazeux faute d'un réel pouvoir de discrimination de ses constituants, et ils nécessitent en général l'application d'une surpression importante pour forcer l'écoulement à travers eux. Le domaine qui est a l'origine de l'invention est la filtration de mélanges gazeux provenant de fûts de déchets nucléaires, qui produisent de l'hydrogène et du radon, ce dernier étant radioactif et donc dangereux ; mais sa durée de vie courte (période de 4 jours environ) n'impose pas qu'on le fixe à titre définitif, mais seulement qu'on le retienne dans le filtre pendant une durée limitée en attendant sa disparition. Une évacuation complète de l'hydrogène 2 vers l'extérieur, où il se disperse, est au contraire recherchée à cause de son caractère inflammable. On a donc développé un filtre apte à retenir le radon pendant la durée voulue tout en laissant passer rapidement l'hydrogène en l'empêchant de s'accumuler, même en l'absence d'une surpression notable du côté du filtre où le mélange gazeux est produit. Des tentatives d'améliorer les filtres traditionnels en agissant sur leurs paramètres et ceux de leurs pores n'ont pas donné de résultats pour la sélectivité de filtration de mélanges gazeux puisque de telles modifications n'ont pas d'effets opposés sur les différents constituants des mélanges, même si les caractéristiques globales de rétention peuvent être considérablement modifiées. L'invention concerne au contraire un filtre pourvu d'une très bonne sélectivité, susceptible de retenir environ 100% du radon et seulement 2% d'hydrogène quand il est parcouru à faible vitesse et faible débit par un mélange gazeux contenant ces constituants, grâce à une forme particulière. Sous sa forme la plus générale, le filtre de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de réservoirs disposés en série et reliés entre eux par des conduits. Il a été en effet constaté que les importants rapports de section entre les réservoirs et les tuyaux intermédiaires permettaient à ceux-là de suffisamment ralentir les constituants lourds des mélanges, alors que les constituants légers n'avaient pas de difficulté à suivre les variations de 3 section du filtre, à contourner les obstacles et à le traverser complètement. La sélectivité dépend beaucoup des caractéristiques du filtre, notamment de la forme et de la dimension des réservoirs et des conduits, et de leurs nombres. Certains perfectionnements permettent aussi de l'améliorer fortement. Les réservoirs peuvent ainsi être occupés par des chicanes successives imposant un trajet tortueux ; les chicanes sont avantageusement des parois occupant des sections successives des réservoirs entre un orifice d'entrée et un orifice de sortie, hormis des fentes disposées alternativement à deux côtés latéraux opposés des réservoirs, et les parois sont inclinées vers l'orifice d'entrée en direction des fentes. Selon un autre genre de perfectionnement, le filtre comprend une entrée dans un premier des réservoirs composée d'une batterie de conduits ayant chacun une longueur au moins trente fois supérieure à un diamètre intérieur ; alors que les conduits reliant entre eux les réservoirs sont avantageusement des tubes uniques ayant un diamètre intérieur au moins dix fois supérieur à celui des conduits de la batterie. Enfin, il est avantageux que les réservoirs aient chacun un conduit d'entrée et un conduit de sortie s'ouvrant sur des portions de parois d'entrée et de sortie du réservoir qui sont opposées par rapport à une ligne médiane du réservoir s'étendant de l'une à l'autre desdites parois. Toutes ces dispositions ont l'effet général d'instaurer des obstacles supplémentaires à l'écoulement du flux gazeux, et ainsi ont la propriété 4 d'entraver plus fortement l'écoulement du constituant le plus lourd sans exercer d'effet important sur le constituant léger, qui se diffuse presque librement à travers le filtre, alors que le constituant lourd devient presque stagnant. Deux réalisations de l'invention seront maintenant complètement décrites au moyen des figures 1 et 2. Ces réalisations ne sont pas limitatives de l'invention, et servent seulement à illustrer ses aspects les plus importants. La figure 1 represente une première réalisation. Elle comprend trois réservoirs 1, 2 et 3 cylindriques ou parallépipédiques reliés entre eux en série par des conduits 4 et 5, et comprenant encore une batterie 6 de conduits d'entrée 7 plus fins que les précédents et un conduit de sortie 8. Tous ces éléments sont disposés en succession de façon qu'un flux gazeux parcourant le filtre passe d'abord par les conduits 7 de la batterie 6, puis par le réservoir 1, le conduit 4, le réservoir 2, le conduit 5, le réservoir 3 et le conduit de sortie 8. Les conduits débouchent en général dans les réservoirs 1, 2 et 3 par des faces extrêmes et opposées (ou près de ces faces, ce qui est vrai pour la batterie 6) de sorte que le flux gazeux les parcourt dans leur longueur. De plus, les orifices d'entrée et de sortie des conduits dans chacun des réservoirs 1, 2 et 3 sont décalés ou en quinconce, c'est-à-dire qu'ils débouchent sur des portions de cette paroi qui sont opposées vis-à-vis d'axes médians longitudinaux des réservoirs (en pointillés sur la figure). Il a été constaté que cette disposition favorisait considérablement la sélectivité de chacun des réservoirs, en rendant beaucoup plus facile le blocage du constituant le plus lourd. Les conduits 7 de la batterie 6 ont des 5 diamètres de l'ordre du millimètre et des longueurs de l'ordre du décimètre. Leur fonction est encore d'aider à la sélectivité ; ils présentent toutefois l'inconvénient de bloquer aussi quelque peu les constituants légers du mélange, et c'est pourquoi leur emploi n'est pas généralisé dans le filtre et que les autres conduits, qui relient les réservoirs et le conduit de sortie, sont des tubes uniques dont le diamètre est grand par rapport à celui des conduits 7, de l'ordre de dix fois plus ou davantage. La batterie 6 peut aussi être omise dans bien des cas avec des résultats acceptables, mais des résultats optimaux ont souvent été obtenus en l'utilisant avec une certaine parcimonie, et c'est pourquoi on la propose seulement à l'entrée du filtre dans cette réalisation. Le nombre des réservoirs pourrait être modifié. Il est apparu qu'une pluralité des réservoirs était probablement indispensable pour obtenir de bons résultats. Une sélectivité satisfaisante est souvent obtenue avec trois réservoirs. Un nombre supérieur de réservoirs pourrait améliorer encore la sélectivité, mais le filtre serait alors plus compliqué. Leur volume peut être de quelques litres. Une disposition importante concerne des chicanes 9 à l'intérieur des réservoirs 2 et 3. Il s'agit de plaques qui en obstruent des sections successives à l'exception de fentes 10 à un bord. Les 6 fentes 10 sont disposées alternativement à des côtés 11 et 12 opposés de la paroi latérale de chacun des réservoirs 1, 2 et 3. Enfin, les chicanes 9 sont inclinées vers l'orifice d'entrée des réservoirs en direction des fentes. Il a été constaté que ces chicanes 9 formaient des poches favorisant fortement la stagnation des constituants les plus lourds du mélange gazeux, sans presque gêner la diffusion des constituants les plus légers. Quelques chicanes 9 peuvent suffire dans chacun des réservoirs 1, 2 et 3. La sélectivité est en général corrélée aux variations de caractéristiques de l'écoulement à l'intérieur du filtre en direction et en section de passage, c'est-à-dire à la tortuosité de l'écoulement : elle est accrue avec le nombre de réservoirs, la longueur et la finesse des conduites intermédiaires et la présence de batteries correspondant à des divisions de ces conduits, mais les chicanes sont le moyen le plus efficace de l'instaurer. La meilleure sélectivité sera souvent obtenue avec un filtre assez perméable dans l'ensemble, pourvu d'un nombre modéré de réservoirs et de conduites plutôt larges, mais d'un réseau assez abondant des chicanes 9. Si leur nombre est très important, de plusieurs dizaines par réservoir par exemple, aucun progrès notable de la sélectivité n'est plus obtenu toutefois. La matière des constituants du filtre n'est pas critique puisque aucun effet autre que la modification des caractéristiques de l'écoulement n'est recherché. 7 Un autre mode de réalisation est représenté à la figure 2. Il comprend ici un boîtier 13 unique en forme de caisse, et les réservoirs 14 sont des compartiments accolés les uns aux autres, parallèles et séparés par des cloisons 15 auxquelles se branchent les chicanes 9 inchangées par rapport à la réalisation précédente si ce n'est que leurs nombres, leurs inclinaisons et leurs répartitions sont ici différents d'un réservoir 14 à un autre, sans que cela change le fonctionnement du filtre. On retrouve la batterie 6 de conduits 7 à l'entrée. Les conduits 4 et 5 de liaison entre réservoirs sont ici remplacés par des conduits 16 internes coudés à demi-tour traversant les cloisons 15, soutenus par elles à leur centre et dont les extrémités s'ouvrent dans deux réservoirs 14 adjacents. Comme ces extrémités sont dirigées vers la paroi la plus proche du boîtier 13, à laquelle elles sont adjacentes avec un jeu, le flux gazeux change de sens d'écoulement en passant d'un réservoir 14 à un conduit 16 et réciproquement, ce qui rend son trajet encore plus tortueux et favorise donc aussi la sélectivité. Cette réalisation comporte dix réservoirs 14. Le conduit de sortie 8 est inchangé.25 REVENDICATIONS1. Filtre sélectif de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de réservoirs (1, 2, 3, 14) disposés en série et reliés entre eux par des conduits (4, 5, 16). 2. Filtre sélectif de gaz suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les réservoirs sont occupés par des chicanes (9) successives imposant un trajet tortueux. 3. Filtre sélectif de gaz suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une entrée dans un premier des réservoirs composée d'une batterie (6) de conduits (7) ayant chacun une longueur au moins trente fois supérieure à un diamètre intérieur. 4. Filtre sélectif de gaz suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les réservoirs ont chacun un conduit d'entrée et un conduit de sortie s'ouvrant sur des portions de parois d'entrée et de sortie du réservoir qui sont opposées par rapport à une ligne médiane du réservoir s'étendant de l'une à l'autre desdites parois. 5. Filtre sélectif de gaz suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les chicanes sont des parois occupant des sections successives des réservoirs entre un orifice d'entrée et un orifice de sortie, hormis des fentes (10) disposées 9 alternativement à deux côtés latéraux (11, 12) opposés des réservoirs, et les parois sont inclinées vers l'orifice d'entrée et les fentes. 6. Filtre sélectif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les conduits (4, 5, 16) reliant entre eux les réservoirs sont des tubes uniques ayant un diamètre intérieur au moins dix fois supérieur à celui des conduits de la batterie. 7. Filtre sélectif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les réservoirs (14) sont des compartiments accolés les uns aux autres dans un boîtier (13), séparés par des cloisons (15). 8. Filtre sélectif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les conduits (16) reliant entre eux les réservoirs traversent les cloisons par une partie centrale, sont coudés à demi-tour et ont des extrémités dirigées vers des parois du boîtier (13) et adjacentes avec des jeux à ces parois. 9. Application du filtre conforme à l'une quelconque des revendications précédentes à la séparation du radon et d'un autre gaz de poids moléculaire plus faible.30