Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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WO 99155443 PCT/FR99/00949
SEPARATEUR MECANIQUE POUR EFFLUENTS GAZEUX ET PROCEDE
DE FABRICATION ASSOCIE
La présente invention concerne le domaine des séparateurs et plus
spécifiquement des moyens destinés à séparer des gouttelettes ou des
particules d'un courant gazeux, dont la taille est inférieure ou de l'ordre
d'un
micromètre.
De nombreuses méthodes et dispositifs ont déjà été divulgués à cet
effet.
Le brevet US 5 626 651 décrit un procédé et un système de ce type
selon lequel le courant gazeux turbulent s'écoule au-dessus d'une série de
plaques définissant des zones non turbulentes dans lesquelles les particules
sont capturées. Plus précisément les plaques sont parallèles entre elles et
verticales. Un moyen de filtration constitué de fibres peut en outre être
prévu
entre lesdites plaques afin d'améliorer la filtration notamment des particules
les plus fines.
La demande de brevet internationale WO 95/28217 décrit un dispositif
qui repose sur le même fondement mais selon lequel les plaques sont
munies de fentes ou bien sont remplacées par des grilles. Des carcasses
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grillagées enserrant un matelas fibreux sont en outre utilisées dans cet art
antérieur.
Par ailleurs la demande de brevet WO 97/00102 concerne un
séparateur placé à l'échappement de moteurs diesel afin de recueillir les
particules contenues dans les gaz d'échappement. Une structure en nid
d'abeille percée de canaux perpendiculaires à l'ouverture des cellules en nid
d'abeille est préférentiellement prévue. La porosité d'une telle structure est
de l'ordre de 70 ô. Cependant ce dispositif ne peut être utilisé pour des
brouillards car les gouttelettes capturées dans les cellules ne peuvent être
éliminées par drainage.
On connaît aussi la demande de brevet
wo 97/27928 concernant un séparateur pour des brouillards, ayant un
ou plusieurs canaux d'écoulement verticaux latéralement délimités par des
éléments plissés fibreux. Un agglornérateur est en outre nécessairement
placé en amont du séparateur afin d'avoir des particules de plus grosses
taille susceptibles d'étre séparées au niveau du séparateur. Ceci est donc
relativement coûteux et implique des pertes de pression non négligeables.
Ces moyens connus ne permettent cependant pas de capturer et
d'éliminer efficacement des particules et/ou gouttelettes de taille inférieure
à
environ un micromètre : dans le brevet US 5 626 651, les particules captées
s'accumulent sur les parois puis tombent par gravité au fond du dispositif.
Des moyens destinés à secouer les parois sont souvent nécessaires pour
faire tomber les particules accumulées sur les parois. Ce dispositif pose
problème lorsqu'il s'agit de séparer des particules très fires, de taille
inférieure au micromètre. Dans ce cas en effet, la hauteur du canal
d'écoulement doit être très petite donc la hauteur des plaques très grande de
sorte que l'équipement est très encombrant pour une section d'écoulement
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très faible. Le même problème existe dans le dispositif selon le document
WO 95/28217.
Dans la demande de brevet WO 97/00102, les particules capturées
sont oxydées.
La présente invention prévoit de résoudre le problème de l'élimination
des particules et/ou des gouttelettes dont la taille est inférieure ou de
l'ordre
d'un micromètre d'une façon originale et inattendue, telle qu'expliquée ci-
après.
De façon avantageuse, la présente invention évite toute perte de
charge due à un encrassement d'une zone du dispositif ; La chute de
pression reste constante tout au long de la vie du séparateur selon
l'invention.
La présente invention permet d'éliminer des particules présentes par
exemple dans des gaz d'échappement de véhicules équipés de moteurs
diesel, dans les poussières d'espaces intérieurs plus ou moins confinés,
dans des fumées de toutes sortes telles que des fumées métallurgiques, ou
des vapeurs acides.
La structure globale de l'invention peut être celle décrite dans la demande
de brevet WO 97/00102 ou encore dans la demande de brevet français publiée
sous le no. 2 769 517 au nom du demandeur. D'autres matériaux supports
peuvent en outre être utilisés comme il sera explicité ci-après.
Vis-à-vis des réalisations ci-dessus énumérées, le taux de captation
des particules peut être augmenté de façon très significative grâce à
l'invention.
Ainsi la présente invention a pour objet un séparateur mécanique
destiné à capturer des particules contenues dans des effluents gazeux et de
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taille inférieure ou de l'ordre du micromètre, comprenant au moins un canal
d'écoulement en état turbulent des effluents, de préférence plusieurs canaux
parallèles, formés dans une structure poreuse ayant des surfaces de capture
des particules, et dont les pointes en dépassent irrégulièrement.
Le séparateur selon l'invention comprend en outre un ensemble de
petits éléments formés de fibres ultrafines, lesdits éléments étant
solidarisés
de façon permanente à la fois entre eux et à la surface desdites surfaces
collectrices de particules, et dont les pointes en dépassent irrégulièrement.
Plus précisément, lesdites fibres présentent un diamètre de l'ordre
d'un micromètre.
En outre, lesdites fibres présentent une longueur inférieure à environ
un millimètre.
Conformément à l'invention, lesdits éléments solidarisés forment une
couche d'une épaisseur inférieure à environ un millimètre.
En accord avec un mode de réalisation de l'invention, la structure
poreuse comprend un nid d'abeille en céramique.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la structure poreuse
comprend une mousse réticulée de polyuréthanne.
Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, la
structure poreuse comprend une mousse réticulée céramique faite dans un
groupe comprenant l'alumine, la cordiérite, la mullite, le zircone, le sialon,
le
carbure de silicium.
De façon plus précise, ladite mousse réticulée céramique présente
une porosité comprise entre 70 % et 90 %.
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De façon particulière, le séparateur selon l'invention présente une
longueur comprise entre environ 10 cm et environ 100 cm.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le séparateur
comprend plusieurs canaux parallèles ou sensiblement parallèles entre eux.
De préférence, le nombre de canaux d'écoulement est proportionnel
au débit des effluents gazeux.
L'invention vise en outre un procédé de fabrication d'un séparateur tel
qu'exposé ci-avant.
Le procédé conforme à l'invention comprend les étapes suivantes :
- tremper une structure poreuse comprenant des canaux d'écoulement
dans une première solution;
- sortir ladite structure de la première solution;
- faire passer un flux d'air pendant environ une heure à travers les canaux
de ladite structure;
- disperser des petits éléments de fibres ultrafines dans le flux d'air;
- laisser les petits éléments se déposer de l'air turbulent sur les surfaces
collectrices rendues adhésives de la structure poreuse de telle sorte que
les pointes des petits éléments dépassent irrégulièrement de la surface;
- placer le séparateur dans un four séchant pendant environ 1 heure.
En outre, après le dépôt des petits élément fibreux sur les surfaces
collectrices, on évide lesdits canaux sur leur section interne initiale, en
coupant les petits éléments fibreux qui en dépassent.
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La première solution peut être formée d'un mélange de silane dans un
solvant d'hydrocarbures.
Sans sortir du cadre de l'invention, ladite première solution peut être
formée d'un mélange d'eau, de silicate de sodium et de glycole éthylène.
D'autres caractéristiques, détails, avantages liés à la présente
invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre,
faite
à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés
sur
lesquels :
- La figure 1 est une perspective simplifiée de l'invention;
- La figure 2 est une perspective simplifiée d'un mode de réalisation de
l'invention en nid d'abeille, en céramique; et
- La figure 3 est une coupe transversale d'un canal selon le mode de
réalisation de l'invention de la figure 2.
La figure 1 illustre schématiquement une partie, vue en perspective
d'un séparateur selon l'invention. Celui-ci peut être formé de façon connue,
d'un monolithe en nid d'abeille, en céramique 2 percé d'une multitude de
canaux 1 ; il peut aussi être formé d'un matériau spongieux percé d'une
multitude de canaux 1. Les canaux sont préférentiellement parallèles entre
eux. Le flux en état turbulent s'écoule classiquement à travers les canaux
selon la flèche A.
Conformément à l'invention, un ensemble de petits éléments 3 formés
de fibres ultrafines est solidarisé de façon permanente sur les surfaces 4
collectrices de particules c'est-à-dire sur les surfaces internes à la
structure
poreuse 2.
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Sur la figure 1, les petits éléments 3 apparaissent, pour des raisons
de clarté, uniquement à travers l'un des canaux 1.
Préférentiellement, afin notamment de ne pas créer de perte de
charge, les canaux 1 sont évidés sur leur section initiale afin de conserver
un
passage libre pour les effluents.
La figure 2 montre un séparateur dont la structure poreuse 2 est
réalisée à partir d'un monolithe en nid d'abeille, en céramique.
Pour des raisons de clarté, les petits éléments 3 n'y ont pas été --
représenté.
Ce type de structure est utilisé de façon connue dans les
convertisseurs catalytiques d'automobiles. Le monolithe est ainsi constitué
de capillaires d'environ 1 mm. Des canaux 1 sont forés dans lesdites
structures. Un séparateur selon ce mode de réalisation de l'invention a une
longueur d'environ 20 cm ; il comprend environ 90 canaux spécifiques
d'écoulement ayant chacun un diamètre d'environ 5 mm.
La figure 3 montre, à plus grande échelle, l'arrangement particulier
selon l'invention, au niveau d'un canal 1 où circulent les effluents gazeux.
Le canal 1 est préférentiellement dégagé des petits éléments 3 qui
sont collés sur les surfaces collectrices 4, renforçant ainsi la surface de
captation des particules.
Lesdites surfaces collectrices 4 ont ainsi l'aspect d'une pelouse, avec
de fines pointes qui en dépassent irrégulièrement.
Des résultats d'essais très satisfaisants ont été obtenus avec des
fibres en kaowool (marque déposée) ayant environ 1 m de diamètre d'une
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longueur inférieure à 1 mm. Le séparateur mesurait 20 cm de longueur et
comprenait 90 canaux parallèles ayant chacun un diamètre de 5,3 mm.
Ainsi, des particules de 0,5 m de diamètre ont pu être capturées
avec un rendement d'environ 50 ô alors que le rendement est de l'ordre de
20 ~ avec un séparateur connu, toutes choses égales par ailleurs.
Selon l'invention, les fibres peuvent garder toute leur capacité et leur
efficacité pour des températures de fonctionnement allant jusqu'à un peu
plus de 1000 C.
La fabrication du séparateur selor, l'invention nécessite les étapes
suivantes :
La structure poreuse est trempée dans une solution de silane
dans un solvant hydrocarboné ; puis de l'air chargé en fibres de
Rao~vool*est insufflé à travers les canaux 1 pendant environ une heure. Ainsi
les fibres 3 se déposent de l'écoulement turbulent sur les surfaces
collectrices 4 de la structure poreuse 2.
Lorsqu'une certaine épaisseur de fibres est ainsi déposée, les canaux
1 sont évidés par tout moyen connu en soi afin de garantir la section initiale
de passage. Ceci élimine notamment les fibres qui pourraient dépasser dans
les canaux 1.
Puis le séparateur est placé dans un four de séchage, pendant
environ une heure.
Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres substances peuvent être
choisies comme colle, afin que les éléments fibreux 3 adhèrent en
permanence aux surfaces collectrices 4.
* (marque de commerce)
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Ainsi, une solution de silicate de sodium additionnée d'eau à laquelle
on ajoute du glycol éthylène peut être utilisée comme colle. Cette solution
permet de ralentir le taux de séchage et de solidification du silicate de
sodium. Le séparateur peut alors supporter des températures de l'ordre de
1100 C.
Le fait de rendre collante les surfaces internes des pores permet
avantageusement, selon l'invention, d'obtenir une couche de fibres qui
dépasse irrégulièrement de la surface. Le procédé selon l'invention permet
de créer cette surface collante, à laquelle peuvent adhérer les fibres de la
façon évoquée ci-dessus c'est-à-dire avec des points qui dépassent. Ceci
est une caractéristique très intéressante de l'invention, qui ne peut être
obtenu selon l'art antérieur dès qu'une couche liquide comprenant des fibres,
est utilisée. Dans ce cas en effet, les fibres restent couchées sur les
surfaces des pores et n'en dépassent pas, d'où une efficacité très limitée.
Plus généralement, pour des applications à haute température (c'est-
à-dire de l'ordre de plus 1000 C), on choisira des fibres en céramiques ou en
verre. Pour des températures plus modérées (de l'ordre de ou moins de
100 C) les fibres peuvent être constituées de matériaux naturels ou
synthétiques tels que des polyesters.
D'une façon générale, plus les particules à capter sont petites, plus
l'amélioration de l'efficacité du séparateur selon l'invention est grande.
