OPTIMISATION ET SIMULATION DES PARAMETRES DU PROCEDE DE FILTRATION

Compléments de filtration

Décanteurs Lorsque l’on doit filtrer de gros volumes de suspensions très diluées, ce qui nécessiterait l’installation d’un filtre de grosse capacité, il est souvent rentable de faire subir à la suspension un épaississement préalable (décanteur statique ou centrifuge, filtre épaississeur, hydrocyclone), afin de n’avoir à utiliser qu’un filtre de dimension raisonnable.

Floculants

Si les particules de la suspension sont très fines, donc difficilement filtrables, il peut être nécessaire de les faire floculer avant filtration. L’addition de floculants adaptés à la suspension donne en effet naissance à de gros flocons formés par l’agglomération des petites particules. Moyennant certaines précautions, on observe alors en général une nette amélioration de la filtrabilité du produit et de la clarté du filtrat. Les floculants ont certainement apporté, lors de ces dernières années, les plus grands progrès dans les domaines de la séparation des constituants d’une suspension, que ce soit par décantation ou par filtration. Leur mode d’action est relativement complexe. De façon très schématique et simplifiée, on peut imaginer que certains de ces produits ont une action un peu mécanique, en créant des ponts entre les particules. D’autres produits agissent par modification des caractéristiques électriques superficielles des particules (neutralisation des charges de mêmes signes, qui tendent à faire se repousser les particules). L’efficacité de ces produits dépend très souvent du pH de la suspension, et leur choix devient très délicat pour les pH extrêmes. Leur dosage [quelques p. p. m. (10−6 en masse) ou quelques mg par litre] doit être soigné, leur efficacité passant souvent par un maximum pour une certaine concentration. On trouve ainsi, dans le commerce, des poly électrolytes, des hydrates de carbone, des polymères soit anioniques, soit cationiques, soit non ioniques, du type polysaccharides par exemple.

Adjuvants de filtration

Si la floculation des fines est impossible ou trop onéreuse et si la clarté du filtrat est le seul impératif recherché, il convient, pour la filtration sur support, d’utiliser des adjuvants de filtration, matériaux caractérisés par un grand pouvoir de rétention fine, joint à une grande perméabilité. C’est ainsi que, pour retenir de très petites particules, au lieu d’utiliser un support de grande finesse qui freinerait considérablement l’écoulement, on filtre sur une précouche d’adjuvants déposée sur un support de finesse moyenne. C’est l’opération d’enrobage [14]. Si la précouche a tendance à être colmatée en surface par les particules de la suspension, on peut rajouter des adjuvants à la suspension et former ainsi un gâteau constitué d’un mélange de fines particules et d’adjuvants, dont la filtrabilité est très supérieure à celle d’un gâteau de particules seules. C’est l’opération de nourrissage. Toujours dans le même cas de tendance au colmatage de la précouche, on peut, si l’on utilise un filtre rotatif à tambour sous vide, former une précouche épaisse (de 5 à 10 cm), un couteau à avance micrométrique éliminant progressivement les couches superficielles colmatées. Les principaux adjuvants sont les kieselguhrs et les perlites. Les fibres de cellulose ou d’amiante, la poudre de charbon, la sciure de bois sont également parfois utilisées. – Kieselguhrs : ce sont des carapaces siliceuses de diatomées fossiles microscopiques dont les dépôts se sont formés il y a quelques milliers de siècles. Le produit brut, après simple broyage, est rarement utilisé comme adjuvant car il est formé de particules de dimensions très variées et contient encore des sels minéraux, du sable et quelques matières organiques (ce produit brut sera éventuellement utilisé comme calorifuge en vrac). Les diverses qualités de kiesel-guhrs rencontrées dans le commerce correspondent aux traitements plus ou moins poussés apportés à ce produit brut : calcination, lavage à l’acide, frittage en présence de fondant, tamisage ou élutriation. Leur porosité globale est de l’ordre de 70 à 85 %, une part importante correspondant à la porosité des débris de carapaces criblées de très fines perforations. – Perlites : ce sont des roches vitreuses d’origine volcanique, de la même famille que les ponces et les obsidiennes. La roche est constituée de lamelles entre lesquelles s’interpose de l’eau interstitielle (de 3 à 4 %). Après broyage et tamisage, un chauffage brutal jusqu’aux environs de la température de ramollissement du produit (900 à 1 000 ºC) vaporise cette eau 13 et gonfle les grains. Après un nouveau broyage et de nouvelles séparations, on obtient des perlites de diverses perméabilités, dont les masses volumiques apparentes varient de 150 à 200 kg/m3 et sont donc, en moyenne, inférieures à celles des diatomées (300 à 350 kg/m3 ). 

Auxiliaires de filtration

Après la phase de filtration sur support proprement dite, le gâteau devra être lavé pour éliminer le plus possible de filtrat contenu dans ses pores, soit pour récupérer l’essentiel de ce filtrat, soit au contraire pour obtenir un gâteau qui en sera sensiblement exempt. L’élimination des dernières traces de filtrat hors des interstices du gâteau exigeant le passage de volumes importants de liquide de lavage, il est parfois plus intéressant de refaire une ou plusieurs filtrations après avoir remis en suspension le gâteau dans du liquide de lavage. Souvent, on cherche également à obtenir le gâteau le moins humide possible pour réduire les frais ultérieurs de transport, séchage, etc. On prévoit alors, après les opérations de filtration et de lavage éventuel, un essorage du gâteau, soit mécanique (écrasement du gâteau par un coussin gonflé à l’air comprimé ou par accroissement important de la pression de filtration), soit par passage de vapeur d’eau ou d’air [15]. Dans les opérations de lavage et dans les opérations d’essorage par passage d’un gaz, il est nécessaire de veiller à l’absence de craquelures ou fissures dans le gâteau, à travers lesquelles se produirait un écoulement important de fluide qui ne participerait sensiblement pas au lavage ou à l’essorage.

Filtration sous vide

Dans les filtres à vide, la force d’entraînement pour la filtration résulte de l’application d’une aspiration du côté filtrat du fluide. Bien que la perte de charge théorique disponible pour la filtration sous vide soit de 100 kPa, dans la pratique, elle est souvent limitée à 70 ou 80 kPa ou même moins. Dans les applications où la fraction solide composée de particules fines dans une suspension d’alimentation est faible, un filtre à vide simple et peu couteux peut produire des gâteaux avec des teneurs en humidité comparables à celles déchargées par des filtres sous pression. En outre, cette catégorie comprend les filtres uniques construits en grandes dimensions qui peuvent assurer le lavage, le séchage et d’autres exigences de processus [16]. 14 Il existe une large variété de type de filtres à vide, ils fonctionnent en continus ou en discontinu. Une caractéristique distinctive importante est la position de la zone de filtration par rapport à la gravité. Un certain nombre de types de filtres à vide utilisent une surface de filtration horizontale avec le gâteau qui se forme sur le dessus. Cet arrangement offre les avantages suivants: – La sédimentation par gravité commence avant l’application du vide. Ceci évite aveuglement excessif de la toile filtrante d û à l’action d’une précouche formée par les particules grossières. – Les matériaux lourds ou grossiers peuvent être filtrés car s’ils se déposent à partir de l’a alimentation, ils le font sur la surface du filtre. – La pénétration des particules fines à travers le milieu peut être tolérée car le filtrat initial peut être recyclé sur la bande. – Les filtres à alimentation par le haut sont parfaits pour le lavage des gâteaux, leur déshydratation et d’autres opérations telles que la lixiviation. – Un degré élevé de contrôle peut être exercé lors de la formation du gâteau. Des tolérances peuvent être prises pour les aliments modifiés et / ou les différentes exigences de qualité du gâteau. Ceci est particulièrement vrai pour les filtres à vide à bande horizontale. Avec ces unités, les proportions relatives de la bande attribuée à la filtration, au lavage, au séchage, etc., ainsi que la vitesse de la bande et la qualité du vide, peuvent être facilement modifiées pour s’adapter aux changements de processus. Cependant, il y’a deux inconvénients majeurs: – Ces filtres nécessitent généralement de grandes surfaces. – Leur coût économique est relativement élevé. Les filtres à vide les plus importants et les plus utilisés sont considérés dans la section suivante : Le procédé de filtration utilise des filtres qui fonctionnent soit en continu ou en discontinu. Filtre discontinu: l’opération à lieu par charge c’est à- dire que l’alimentation de la suspension et le chargement du solide se font par intermittence. La filtration est arrêtée quand la capacité au-dessus de la surface filtrante est remplie ou que le colmatage du filtre atteint une valeur limite. Filtre continu: dans les filtres continus, la surface filtrante fermée sur elle-même se déplace lentement devant l’alimentation; le gâteau atteint une certaine épaisseur et dès qu’il sort de la partie 15 filtrante il est détaché par un système raclant. Un cycle de lavage puis d’essorage est souvent adjoint [17]. Ces filtres constituent un investissement plus important mais ils ont un coût de fonctionnement moindre: ils conviennent donc aux productions importantes. Les filtres à vide les plus importants et les plus utilisées seront considérés dans la section suivante.

Filtres statiques Nutsche

Le filtre de Nutsche est simplement un équivalent industriel du laboratoire Buchner entonnoir. Ils sont constitués d’une cuve comportant une plaque perforée servant de support à un élément filtrant, généralement en tissu naturel ou synthétique. Le vide est appliqué au compartiment inférieur dans lequel le filtrat est recueilli. Ces appareils, qui permettent la filtration de la totalité du liquide, sont utilisés lorsque la filtrabilité du gâteau est très grande et que l’on peut réaliser une couche épaisse de solides (cette couche peut atteindre 40 à 50 cm dans le cas de certains cristaux) car la surface filtrante est très limitée (standard : de 0,5 à 3 m2 ). Le gâteau est retiré manuellement. Selon la nature chimique de la suspension à filtrer, les matériaux de construction varient du bois, du plastique, terre cuite, acier, acier plombé, à la fonte bordée de briques. Ces filtres sont particulièrement avantageux lorsqu’il est nécessaire de séparer les lots et lorsqu’un lavage important est nécessaire. Le lavage est effectué soit par déplacement, soit par remise en suspension. Ces appareils peuvent fonctionner, en enceinte fermée, sous pression. Figure 4. Filtre de Nutsche [18]. Alimentation Filtrat Vers pompe 16 Figure 5. Filtres rotatifs à tambour [20]. 1.8.2 Filtres rotatifs à tambour Actuellement, c’est le filtre à vide le plus populaire. Il existe de nombreuses versions disponibles et elles comprennent toutes un tambour qui tourne lentement (I à 10 minutes par tour) autour de son axe horizontal. Il est composé de cellules indépendantes, est revêtu d’une toile filtrante tendue sur un support perforé en métal, ébonite ou plastique, et immergé partiellement dans une auge alimentée en produit à filtrer. Les cellules sont reliées en bout d’arbre à une valve de distribution par une araignée de tuyauteries. Cette valve communique elle-même avec une pompe à vide par l’intermédiaire du ballon de séparation de filtrat, et avec un compresseur. Pendant la rotation lente du tambour, les cellules sont immergées à tour de rôle dans l’auge. Sous l’action du vide, le liquide traverse la toile filtrante, et les sédiments se déposent en gâteaux sur la toile. Le tambour continuant son mouvement de rotation, le gâteau émerge et reste maintenu à la surface de la cellule sous l’action de la dépression régnant dans ce secteur. Si on le désire, on peut, dans cette position, le laver en pulvérisant à sa surface le liquide approprié. La cellule sort ensuite de la zone de lavage et, l’action du vide continuant, l’air aspiré à travers le gâteau entraîne une grande partie du liquide d’imprégnation. Lorsque le compartiment se présente devant le couteau racleur, l’action du vide cesse et la valve de distribution envoie de l’air comprimé, à contre-courant, facilitant le dérochage du gâteau [19]. Rotation Lavage Gâteau de filtration Alimentation 17 La submergence du tambour dans l’auge, c’est-à-dire la proportion de surface mise en contact avec le produit à filtrer, et la vitesse de rotation sont définies en fonction de la filtrabilité du gâteau. Généralement, la submergence varie de 25 à 45 %, mais peut atteindre 70 % pour des produits particulièrement difficiles, et la vitesse de rotation varie de 10 à 70 tr/h (suivant le diamètre du tambour). Les filtres à tambour rotatif sont réalisés en acier doux (parfois recouvert de caoutchouc), en acier inoxydable, en le nickel, en le tantale ou en plastique. Le procédé de filtration peut être suivi d’une déshydratation, d’un lavage et d’un séchage .