La filtration a pour objectif, en partant d'une suspension de solide dans un liquide, d'obtenir:
un liquide clair nommé filtrat , plus ou moins clarifié (par exemple pas de particules supérieures à 100, 10 ou 1mm)
un solide nommé gateau, déposé sur le filtre ou soutiré en continu, plus ou moins sec
La surface filtrante (ou média filtrant) peut être constituée de nombreux matériaux parmi lesquels le papier, la toile, le verre fritté, le sable, du treillis inox, etc... Le solide déposé sur le filtre (gateau) joue également le rôle de média filtrant.
Lors de la filtration, il y a une une résistance au passage du liquide liée entre autres à la porosité du milieu et à la viscosité. Cette résistance se traduit par une perte de charge (DP) d'autant plus élevée que l'épaisseur du gateau est importante ou que la vitesse du liquide est importante. Ainsi, les éléments qui déterminent le débit de filtration sont
la surface du média filtrant
sa résistance (liée à son épaisseur, sa porosité, la viscosité, etc...)
la DP appliquée de part et d'autre du milieu filtrant.
La DP, force motrice de la filtration peut être obtenue par:
gravité (hauteur de suspension au dessus du media filtrant),
mise en pression de la suspension à filtrer (jusqu'à quelques bars),
mise sous vide en aval du filtre, la suspension étant alors en général à pression atmosphérique.
Définition des principaux termes liés à la filtration:
Suspension : solution contenant le liquide et le solide alimentant l’unité de filtration
Filtrat : solution contenant le liquide sans les particules solides retenues lors de la filtration. Certaines particules de petite taille peuvent néanmoins traverser le filtre, selon les cas.
Gâteau : solide accumulé sur le filtre support lors de la filtration. Ce gâteau contient également entre les particules solides du liquide constituant la suspension.
Colmatage : se dit d’un filtre lorsque les particules finissent par boucher les pores du filtre, conduisant à une baisse importante de débit de filtration. Le colmatage peut être réversible ou irréversible.
Lavage du gâteau : opération consistant à éliminer le liquide qui imprègne le gâteau, en le remplaçant par une solution de lavage (par exemple de l’eau) en fin d’un cycle de filtration.
Contre-lavage : opération consistant à séparer le gâteau ou le solide retenu du média filtrant par circulation de liquide (ou de gaz) à contre courant au travers du filtre.
Essorage : opération de mise en rotation du gâteau afin d’éliminer le liquide qu’il contient (liquide de lavage ou suspension d’alimentation), avant une éventuelle opération de séchage.
Séchage : opération consistant à éliminer le liquide résiduel contenu dans le solide par circulation d’un gaz, en générale de l’air.
Filtration sur support : une toile filtrante (ou membrane poreuse) possédant des orifices de taille inférieure aux particules solides à filtrer assure la retenue du solide, qui forme ainsi un gâteau. Le liquide traverse le gâteau et le média, et donne un filtrat plus ou moins exempt de particules solides.
Filtration sur précouche : le média filtrant a dans ce cas des orifices de taille supérieure aux particules à filtrer. Néanmoins certaines particules (tailles et formes diverses) sont retenues et après une courte période, une couche de solide se forme assurant la filtration à la taille requise. On parle alors de filtration sur précouche. La solution ayant servi à former la précouche, non complètement clarifiée, peut-être recyclée.
Filtration sur masse poreuse, ou filtration en profondeur : la filtration des particules solides s’effectue au travers d’un lit assez épais, par exemple de sable, de papier ou de feutre. Au cours de leurs trajet forcément sinueux, les particules en suspension heurtent celles du lit et s’y accroche progressivement. Il y a alors accumulation de solide en profondeur, sans formation de gateau. Lorsque le lit est saturé, soit il y a perçage (des particules solides finissent par traverser le lit, soit il y a colmatage. Dans le cas d’un filtre à sable, un contre-lavage avec mise en fluidisation du lit permet de recommencer un cycle de filtration.
Filtration sous pression, sous vide, par gravité : pour traverser le lit filtrant, la suspension a besoin d’une différence de pression de part et d’autre du média filtrant. Cette différence de pression (qui est la perte de charge au travers du filtre), peut être assurée soit par mise sous pression du filtre côté suspension, soit par mise sous vide en aval du filtre (côté filtrat), soit encore par gravité, la hauteur du lit et de la suspension donnant un certain rgh.
Filtres clarificateurs : leur objectif est de clarifier le liquide dont la teneur initiale en solide est en général inférieure à 0.15%. Les débits traités sont important devant la quantité de solide retenu.
Filtres pour extraction de solides, ou filtres épaississeurs : leur objectif est récupérer le solide, qui peut être en proportions importantes dans la suspension d’alimentation. L’accumulation de solide dans le gâteau ou le filtre est alors importante, nécessitant des volumes et des surfaces adaptés à l’épaisseur du gâteau obtenu.
Principe de la filtration:
La force motrice de la filtration est un général une différence de pression amont-aval, égale à la perte de charge du filtre (mesure par PDI). Au cours de la filtration, l’accumulation de solide dans le gâteau ou dans la masse filtrante augmente la perte de charge pour un débit donné, ou réduit le débit de filtration pour une différence de pression donnée. Cette réduction conduit à effectuer des cycles de filtration, avec remplacement ou contre-lavage du média filtrant. La marche en continu peut être obtenue en disposant deux filtres en parallèles (l’un en service, l’autre en reconditionnement). Dans certains filtres, la suspension circule de façon tangentielle au média filtrant, limitant ainsi la croissance du gâteau et permettant un fonctionnement continu.
En dimensionnement, de nombreux paramètres sont à prendre en compte parmi lesquels :
le mode de fonctionnement discontinu, semi-continu, ou continu,
le débit à traiter, la perte de charge maximale admissible et la viscosité de la solution, ce qui conditionne en partie la surface de filtration à utiliser et l’épaisseur maximale admissible du gâteau,
la quantité et la qualité des solides et du liquide à traiter : filtration à 0.1, 1, 10 ou 100 microns (tailles des particules arrêtées), lavage, essorage et/ou séchage du gâteau, etc…
le besoin d’adjuvant de filtration (noir de carbone, silice, filtration plus sélective).
En filtration centrifuge ou essorage, la pression motrice de la filtration est obtenue par mise en rotation de la suspension et du media filtrant dans une essoreuse. Le filtrat est centrifugé et sort vers l’extérieur, alors que le solide est retenu à l’intérieur du filtre de l’essoreuse. Ces appareils sont en général discontinus (essoreuse à salade). L’essorage se distingue de la centrifugation dans laquelle il n’y a pas de media filtrant pour séparer le solide du liquide. En centrifugation, le solide est récupéré dans la partie externe et le liquide dans la partie interne de la centrifugeuse.