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Cours de filtration: généralités
et définitions
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.
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