CH407052A - Procédé de filtration et filtre pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents

Description

  
 



  Procédé de filtration et filtre pour la mise en oeuvre de ce procédé
 Les filtres à masse granulaire filtrante contenue dans des récipients cylindriques, parallélépipédiques, etc., ouverts ou fermés, et communément appelés filtres à sable, à charbon, à marbre, échangeur d'ions, etc., servent à séparer d'un liquide ou d'un gaz les matières solides ou colloïdales qui les polluent ou encore à échanger des ions par permutation.



   La masse granulaire filtrante, dont la taille des grains va en croissant de haut en bas, peut être d'une épaisseur très variable allant de quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres selon les conditions d'utilisation. Un espace vide est ménagé au-dessus de la masse filtrante afin de permettre son expansion pendant son lavage périodique au moyen d'un courant ascendant d'un liquide quelconque ou d'un mélange d'un gaz tel que l'air, et d'un liquide tel que l'eau.   I1    s'agit donc de filtres discontinus puisqu'il faut arrêter périodiquement la filtration lorsqu'ils sont colmatés, pour les régénérer par lavage ascendant.



   Lorsque ces filtres sont en service, la masse granulaire qui repose sur le fond du récipient ou sur un plancher intérieur percé qui le surmonte, est tassée et compacte.



   Le lavage ascendant, lorsqu'il est parfaitement effectué, provoque un soulèvement de tous les grains d'autant plus important que ces derniers sont plus fins. Cette action, tout en   détassant   les grains, maintient leur classement initial en fonction de la grosseur, les plus gros se groupant en bas et les plus fins à la surface supérieure de la masse.



   On connaît trois façons d'utiliser cette masse filtrante: a) la première consiste à filtrer du haut vers le bas,
 c'est-à-dire que le fluide à filtrer traverse d'abord
 les grains les plus fins et le filtrat sort ou est col
 lecté à travers les grains les plus gros. Le colma
 tage se fait surtout en surface et, pratiquement,
 seule la couche supérieure concourt à la filtration.



   Si au cours du filtrage, il se produit des précipi
 tations ou floculations retardées, les sédiments qui
 en résultent ne sont plus retenus par la masse fil
 trante dont les pores grossissent dans le sens du
 courant. Ils sont entraînés par le flux et troublent
 le filtrat. En revanche, la filtration se faisant dans
 le sens naturel du tassage des grains, les filtres se
 prêtent à des débits de filtration irréguliers. b) La seconde consiste à filtrer du bas vers le haut
 en distribuant le fluide à filtrer à la base du filtre.



   La filtration est rationnelle car elle se fait dans
 le sens de la diminution de la porosité de la masse
 granulaire filtrante. La filtration et le lavage se
 font dans le même sens, mais à des débits diffé
 rents. En effet, pour la filtration, le débit ne doit
 pas soulever les grains filtrants, tandis que pour
 le lavage, le débit doit être suffisant pour soulever
 les grains et libérer les sédiments retenus par les
 grains tassés. La moindre augmentation brutale
 de débit entraîne des détassages qui engendrent
 des troubles dans la filtration par libération de
 sédiments et création de chemins préférentiels où
 il n'y a pas filtration. C'est pourquoi de tels fil
 tres sont surtout utilisés en tant que filtres dégros
 sisseurs.

   Leur efficacité souvent irrégulière donne
 une filtration qui laisse à désirer. c) La troisième consiste en un drainage du filtrat
 dans la masse filtrante qui est alimentée en fluide
 brut sous pression à la fois par le haut et par le
 bas, c'est-à-dire au-dessus et au-dessous de la
 masse filtrante. Cette technique a été mise au
 point par un centre de recherche russe et réalise  
 ainsi deux filtres superposés l'un, le supérieur, à
 courant descendant, l'autre, l'inférieur, à courant
 ascendant.



   Un des défauts de ces derniers appareils est que la partie supérieure se colmate rapidement comme avec le premier procédé décrit. Pratiquement, il y a peu de débit dans la zone de filtrage à courant descendant. Un débit supérieur engendrerait une contrepression empêchant le détassage ou le soulèvement des grains par le courant ascendant. Si les grains les plus fins qui se groupent à la partie supérieure de la masse filtrante sont choisis relativement gros, il n'y a plus colmatage rapide, mais alors les usagers se plaignent de l'inefficacité de la filtration.



   Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé de distribuer à la partie supérieure un fluide préalablement filtré, donc non colmatant, qui est mis en surpression par rapport au liquide ou au gaz brut distribué à la partie inférieure du filtre.



   Bien que de conception judicieuse et d'application efficace, ce dispositif n'en est pas moins compliqué et onéreux.



   L'invention vise à éliminer les inconvénients ou difficultés rencontrés dans la mise en   oeuvre    des procédés précités.



   Elle a pour objet un procédé de filtration caractérisé en ce qu'on fait passer de haut en bas le fluide à filtrer à travers une masse granulaire dont les grains, dans la partie haute au moins de la masse granulaire, ont une grosseur moyenne et une densité qui vont respectivement en décroissant et en croissant dans le sens descendant.



   L'invention a également pour objet un filtre à masse granulaire pour la mise en   oeuvre    du procédé défini ci-dessus, caractérisé en ce que la masse granulaire comporte une partie principale présentant une grosseur de grains qui va décroissant de haut en bas, et la densité des grains va en croissant dans le même sens, le récipient contenant la masse granulaire étant adapté pour faire traverser ladite partie principale de haut en bas par le fluide à filtrer.



   Deux mises en oeuvre du procédé selon   l'inven-    tion seront décrites, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, auquel:
 la fig. 1 est une vue schématique de la première mise en oeuvre,
 la fig. 2 est une vue schématique de la seconde mise en   oeuvre,    et
 la fig. 3 est un schéma de tuyauteries pour le filtre de la fig. 2.



   Le filtre représenté à la fig. 1 est constitué par une virole cylindrique A.   I1    est équipé intérieurement d'un plancher B percé de trous, ou poreux, destiné d'une part à supporter la masse granulaire et à collecter le fluide gazeux ou liquide filtré, et d'autre part à distribuer périodiquement sous la masse filtrante un contre-courant de décolmatage. La vanne 3 commande l'introduction au-dessus de la masse filtrante par la conduite b du brut à filtrer, la vanne 1 commandant l'admission par la conduite c des fluides de lavage. La vanne 20 commande, par la conduite d, la sortie du filtrat qui est contrôlé par un   débitme-    tre C, la vanne 15 celle des boues de lavage qui sont collectées par une goulotte ou entonnoir D.



   L'appareil est garni d'une masse granulaire (1,2 m par exemple) comprenant à la base des couches de grains E (0,2 m par exemple) dont la grosseur diminue en s'élevant. Ces couches E appelées   couches-supports   servent à collecter le filtrat et à faciliter la distribution régulière sous toute la surface du liquide de lavage. De plus, elles empêchent le colmatage des fentes des diffuseurs ou des crépines éventuellement montés sur le plancher intérieur. Sur ces couches-supports repose la masse filtrante F (d'une hauteur d'un   mètre    par exemple) dont les interstices augmentent, à la partie supérieure au fur et à mesure que   l'on    s'élève.



   Les grains de la masse filtrante F sont à grosseur décroissante et à densité croissante vers le bas. Pour fixer les idées on indiquera que dans l'exemple simplifié de la fig. 1, la porosité décroissante dans le sens de la filtration à courant descendant est obtenue par l'empilement d'une couche F1 de billes de verre (densité environ 2,4) de   0,6    à 1 mm de diamètre, de grains de sable   Fo    (densité environ 1,6) de 1 à   1,4    mm, de grains d'anthracite   F    (densité environ 1,4) de 2 à 3   mm    et de grains de polystyrène FI (densité 1,05 environ) de 5 à 7 mm.



   La porosité de la masse granulaire diminue donc dans le sens de la filtration. Cette disposition apporte de nombreux avantages. Au cours de la percolation à travers les grains les plus gros, il se produit une accélération des précipitations et floculations sous l'effet des tourbillons et remous provoqués par les frottements et les irrégularités de section des interstices entre grains. La diminution des pores dans les couches sous-jacentes facilite la parfaite retenue par les grains tassés des sédiments ainsi formés, qui doivent être séparés du fluide à filtrer.

   En fait les grains non seulement favorisent la formation de véritables lits filtrants de boues qui concourent à l'efficacité de la filtration, mais encore maintiennent la porosité de ces lits, qui assure une grande capacité à l'appareil en freinant le colmatage progressif dû à   l'accumula-    tion des boues retenues.



   Le travail de filtrage qui est à courant descendant a lieu dans le sens du tassage naturel de la masse filtrante ce qui est avantageux comme indiqué précédemment lorsque les débits varient plus ou moins brutalement.



   La constitution de la masse filtrante maintient le classement initial des grains lorsque, pour décolmater et laver le filtre, on introduit dans la masse un courant ascendant qui provoque une expansion des couches filtrantes d'autant plus ample que la densité est plus faible, c'est-à-dire que le niveau des grains dans le filtre est plus haut.



   En fin de lavage lorsque le débit de soulèvement et de décolmatage diminue, se déposent successivement les grains les plus gros des couches-supports,  les grains fins de celles-ci, les grains fins constituant la base des couches filtrantes et en dernier les grains les plus gros des couches filtrantes qui sont en fait les plus légers.



   En fait, chaque fois que cela est possible la variation de la densité apparente des diverses couches superposées doit être suffisante pour obtenir une parfaite séparation dans le courant ascendant de lavage sans l'être de trop, ce qui entraînerait une hauteur d'expansion totale prohibitive.



   L'énumération qui suit n'a aucun caractère limitatif et est donnée simplement pour donner une idée des multiples combinaisons de matières diverses utilisables pour la préparation des couches   filtrantes    perles, billes ou fragments métalliques à base de métaux simples ou d'alliages, grains de corindon, Caborundum, bauxite, lave, marbre, grès, graphite, granit, quartz, gravier, sable, grains de carbonate de calcium, billes de verre, grains d'ébonite, de bakélite, de polyamine, ou de toutes autres matières naturelles ou synthétiques, grains ou billes échangeurs d'ions tels que les cationiques et les anioniques, sélectifs ou non, etc.



   Le champ d'application du filtre qui vient d'être décrit est des plus vastes car non seulement il couvre tous les cas solutionnés plus ou moins heureusement par les filtres actuellement connus, mais encore il permet des clarifications parfaites avec des cycles de cinq à vingt fois plus longs que ceux obtenus précédemment et permet enfin la filtration de liquides pollués réputés comme infiltrables soit du fait du caractère extrêmement colmatant des impuretés, soit de leur finesse ou de leur état colloïdal. De plus il permet l'utilisation directe des appareils sans préfiltration pour l'adoucissement et la déminéralisation des eaux chargées de colloides et de matières en suspension sans colmatage limitant le cycle ou débit cumulé obtenu entre deux régénérations.



   Voici quelques exemples de filtration: filtration d'eaux de forage ou de sources polluées par les déchets d'érosion souvent très fins, les spores, les thalles et le mycélium de champignons et algues diverses, les humates ; filtration d'eaux de surface chargées de limon et de colloïdes sans décantation préalable, sans ou avec floculation; filtration de lessives de toutes natures, telles que glycérineuses, lessi
 ves de papeterie et de lavage; filtration des eaux blanches de papeterie; filtration de saumures de sel marin et de sel gemme ; filtration de liqueurs et solutions acides ou alcalines telles que les bains de coagulation de fibres artificielles ; filtration de liquides alimentaires tels le vin, les fonds de cuve, les jus de fruits, les jus et sirops de canne et de betterave ; filtration de tous fluides gazeux ou liquides de toutes densités et de toute viscosité;

   adoucissement direct d'eaux de forage et de surface contenant des algues, du sable fin, de la silice à l'état colloïdal, des colloïdes, du carbonate de calcium à l'état finement divisé ou même naissant.



   A la fig. 2 la masse granulaire est obtenue en
 superposant la masse filtrante F1 à F4 de l'appareil de la fig. 1 à la masse filtrante   Fo    d'un filtre granulaire classique à courant ascendant. Les grains de la masse   Fo    sont donc en principe de même nature, étant par exemple constitués de galets de mer concas  sés    ou de sable roulé de rivière.



   Un système tubulaire G de drainage du filtrat, du genre de ceux utilisés dans le corps des filtres échangeurs d'ions dits   à lits mélangés   est disposé à l'intérieur de la masse filtrante afin de délimiter deux zones ou chambres de filtration alimentées en fluides bruts à filtrer par leurs extrémités opposées, c'est-àdire à la fois au-dessus et au-dessous de la masse filtrante totale. Cet appareil est normalement équipé comme celui de la fig. 1, d'un entonnoir ou goulotte, pour recueillir et extraire les boues de lavage, qui débite dans une conduite allant à l'égout et commandée par une vanne identique à la vanne 15 de la fig. 1.



   Si la fig. 2 représente un appareil à double chargement inversé, avec réseau tubulaire intérieur équipé d'éléments de drainage ou de distribution disponibles dans le commerce, cet appareil est en fait à usages multiples ou polyvalent car de par sa construction il est possible par les vannes 1, 2 et 3 de l'alimenter en fluides par le bas, par le milieu et par le haut, à la demande, séparément ou non et d'extraire de même le   filtrat    à ces trois niveaux par les vannes 4, 5 et 6.



   Dans cet appareil, les fonctions des vannes sont les   suivantes   
 vanne 1: distribution du brut à filtrer sous la masse filtrante,
 vanne 2: lavage du dispositif de drainage à contre-courant,
 vanne 3 : distribution au-dessus des couches filtrantes du brut à filtrer,
 vanne   4 : by-pass,   
 vanne 5 : sortie du filtrat clair,
 vanne 6: by-pass.



   L'appareil de la fig. 2 peut, sans aucune modification de construction, fonctionner comme l'appareil représenté à la fig. 1. Dans ce cas, le bmt à filtrer est distribué par la vanne 3 et le filtrat sort par la vanne 4.



     I1    peut aussi fonctionner comme un décanteur ou un filtre à courant ascendant. Dans ce cas, la vanne 1 est utilisée pour l'admission du brut et la vanne 6 pour la sortie du fluide clarifié.



   La fig. 3 représente les tuyauteries extérieures du 'filtre de la fig. 2. Les vannes représentées sur cette figure sont complétées par les vannes   suivantes   
 vanne 7: pour la vidange totale,
 vanne 8 : qui permet de refouler à l'égout les têtes de filtration après lavage,
 vanne 9: qui permet une vidange partielle par siphonage.



   En outre, la vanne 15 sert à évacuer les boues à l'égout après avoir été recueillies par un entonnoir ou une goulotte disposée à l'intérieur et en haut de l'appareil, comme indiqué à la fig. 1.  



   Le filtre pourrait comporter dans sa masse granulaire une couche supérieure à gros grain et à faible densité (anthracite par exemple) surmontant une couche à grain plus petit et à densité plus élevée (sable par exemple), les couches sous-jacentes à cette seconde couche étant quelconques. L'expérience a montré qu'un tel filtre donnait satisfaction.



   REVENDICATIONS
 I. Procédé de filtration, caractérisé en ce qu'on fait passer de haut en bas le fluide à filtrer à travers une masse granulaire dont les grains, dans la partie haute au moins de la masse granulaire, ont une grosseur moyenne et une densité qui vont respectivement en décroissant et en croissant dans le sens descendant.
  

Claims (1)

1. II. Filtre à masse granulaire pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que la masse granulaire comporte une partie principale présentant une grosseur de grains qui va décroissant de haut en bas, et la densité des grains va en croissant dans le même sens, le récipient contenant la masse granulaire étant adapté pour faire traverser la partie principale de haut en bas par le fluide à filtrer.

   SOUS-REVENDICATIONS 1. Filtre suivant la revendication II, caractérisé en ce qu'une partie auxiliaire de la masse granulaire, dis 'posée à un niveau inférieur à celui de la partie principale, est composée de grains dont la grosseur va en décroissant de bas en haut, et en ce qu'un drainage horizontal est interposé entre les deux parties pour collecter les filtrats provenant de la traversée d'une part de la partie principale par un courant de filtrage descendant, d'autre part de la partie auxiliaire par un courant ascendant.

   2. Filtre suivant la sous-revendication 1, caractérisé en ce que le récipient est pourvu de tuyauteries et de vannes permettant une alimentation en fluide du filtre à son sommet, à travers le drainage horizontal, où à la base du filtre, à volonté.

   3. Filtre suivant la sous-revendication 2, caractérisé en ce que les tuyauteries et les vannes sont agencées pour permettre d'extraire le fluide de sortie au sommet du filtre, au droit du drainage, ou à la base du filtre, à volonté.

   4. Filtre suivant la revendication Il, caractérisé en ce que le récipient du filtre comporte, à sa partie haute, un collecteur de boues relié à une conduite débouchant dans l'égout.

   5. Filtre suivant la revendication II, caractérisé en ce que la masse granulaire comporte une couche supérieure à gros grains et à faible densité surmontant une couche à grains plus petits et à densité plus élevée, les couches sous-jacentes à cette seconde couche étant quelconques.