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CA 02589625 2007-06-06
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PROCÉDÉ POUR SÉPARER DES PARTICULES D'UN EFFLUENT GAZEUX
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 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%. Cependant ce dispositif ne peut être utilisé pour des brouillards car les
gouttelettes capturées dans les cellules ne peuvent être éliminées par
drainage.
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On connaît aussi la demande de brevet internationale publié le 26
octobre 1995 sous le no. WO 95/28217, concernant un séparateur ayant un ou
plusieurs canaux d'écoulement verticaux latéralement délimités par des
éléments plissés fibreux. Un agglomérateur est en outre nécessairement placé
en amont du séparateur afin d'avoir des particules de plus grosses taille
susceptibles d'être 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 fines, de taille inférieure au
micromètre. Dans ce cas en effet, la hauteur du canai 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 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 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.
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Par ailleurs, la présente invention permet d'obtenir un très fort taux de
séparation grâce à un équipement de petite taille, ayant une faible perte de
pression et un fonctionnement continu.
Ainsi la présente invention vise un séparateur de type spongieux destiné
à traiter des effluents gazeux contenant des particules liquides ou solides de
taille sensiblement inférieure à un micromètre, voire de l'ordre du
micromètre.
Selon l'invention, le séparateur est formé d'une mousse réticulée percée
de canaux destinés à l'écoulement en état turbulent des effluents gazeux,
lesdits
canaux étant tels que les effluents gazeux traversent ladite mousse d'une
extrémité à l'autre des canaux.
De façon spécifique, la porosité de ladite mousse est comprise entre 90
% et 98 %, de préférence autour de 97%.
En outre, la taille des cellules formant ladite mousse est comprise entre
environ 0,5 mm et environ 5 mm.
De façon particulière, le diamètre des filaments formant ladite mousse est
compris entre 50 pm et 1000 pm.
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Conformément à l'invention, le diamètre des canaux transperçant
ladite mousse est compris entre 3 et 100 mm.
Selon un aspect de l'invention, ladite mousse est constituée d'un
polyuréthanne réticulé.
Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, ladite
mousse réticulée est constituée d'un carbone vitreux. ; ladite mousse peut
aussi être constituée d'un métal tel que l'aluminium, le nickel ou le plomb.
Selon une utilisation préférée de l'invention, le séparateur peut être
utilisé pour éliminer les gouttelettes de liquide tel que les gouttelettes
d'huile
contenues initialement dans des brouillards ; ladite mousse assure alors un
drainage régulier des gouttelettes capturées.
Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, le
dispositif peut ëtre utilisé pour séparer des particules solides en suspension
dans un gaz.
Le dispositif peut comprendre en outre un moyen pour secouer ladite
mousse afin de faire tomber les particules retenues à l'intérieur de cette
mousse.
En d'autres termes, la présente invention concerne un appareil
destiné à séparer des particules contenues dans un effluent gazeux,
comprenant une enveloppe ayant une entrée et une sortie, au moins un
passage droit, complètement libre, non obturé ouvert à ses deux extrémités
destiné à laisser passer ledit effluent gazeux en état turbulent de l'entrée
vers la sortie, un matériau en mousse réticulée qui définit les parois desdits
passages et remplit tout l'espace entre lesdits passages, ledit matériau en
mousse étant constitué de fils qui forment des pores ou cellules
interconnectées qui communiquent librement avec lesdits passages afin de
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créer des zones stagnantes non turbulentes qui s'étendent à partir desdits
passages.
Selon l'invention, lesdites particules sont capturées et déposées sur
les surfaces de fils formant le matériau en mousse réticulée, lesdits fils
étant
mu?,.:e!!emer,t esGacés de icliC laçon que ies cellules qu'ils définissent
permettent au courant turbulent d'entrer sur une distance de quelques
cellules (à partir desdits passages), et empêchent un courant gazeux direct
de l'entrée vers la sortie, les cellules forçant les turbulences à décroître
dans
les zones non turbulentes occupant substantiellement tout l'espace entre les
passages.
Selon une caractéristique, lesdits passages sont tous de même
dimensions.
De façon plus spécifique, les passages présentent un diamètre
compris entre environ 10 cm et environ 200 cm.
Avantageusement, les fils adjacents sont espacés les uns des autres
d'une distance d'environ 0,5 mm à environ 5 mm dans chaque direction de
l'espace, les fils périphériques et les espaces entre lesdits fils définissant
les
parois desdits passages; les particules sont déposées sur les surfaces des
fils par impact intertiel et par des phénomènes de diffusion Brownienne.
?0 Par ailleurs, lesdits fils présentent un diamètre compris entre environ
50 um et environ 1000 m et en ce que la mousse réticulée présente une
porosité comprise entre environ 90 et environ 98 o, préférentiellement
d'environ 97 %.
En outre, ladite mousse réticulée est constituée d'un polyuréthane ou
d'un polyuréthane recouvert de PVC.
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Selon une autre possibilité, ladite mousse réticulée est constituée d'un
carbone vitreux.
Conformément à l'invention, ladite mousse réticulée est constituée
d'un métal tel que l'aluminium, le nickel ou le plomb.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ladite mousse
réticulée est constituée d'un matériau céramique.
Conformément à encore un autre mode de réalisation de l'invention,
lesdits passages sont réalisés par assemblage de feuilles de mousse
réticulée qui forment des canaux de section carrée ou rectangulaire.
De façon particulière, lesdits passages sont orientés horizontalement,
et l'appareil permet d'éliminer des gouttelettes de liquide telles que des
gôuttelettes contenues dans un brouillard d'huile ou d'eau, le liquide formé
après déposition des gouttelettes étant drainé par ladite mousse et étant
continuellement déchargé de l'enveloppe dans des moyens appropriés
disposés au bas de ladite enceinte.
Les passages pour l'effluent gazeux peuvent être orientés
horizontalement ou verticalement et les particules sont séparées de l'effluent
gazeux.
La présente invention vise aussi un procédé pour séparer des particules
d'un effluent gazeux les contenant, comprenant les étapes suivantes:
- faire passer ledit effluent gazeux en état turbulent à travers au moins un
canal droit, complètement libre, non obturé, ouvert à ses deux extrémités,
dans
une direction donnée dans une enveloppe,
- disposer une mousse réticulée qui entoure lesdits canaux et qui comprend
une pluralité de régions non turbulentes mutuellement espacées,
transversalement à la direction de l'écoulement de l'effluent gazeux, lesdites
régions communiquant librement avec lesdits canaux,
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- à transporter les particules par les courants gazeux de l'effluent gazeux à
l'intérieur desdites régions, et
- à piégées et à déposer mécaniquement lesdites particules sur les surfaces
des régions non turbulentes.
De préférence, de façon plus détaillée, lesdites sous-régions stagnantes
et non turbulentes sont constituées par les cellules formées par des fils
adjacents d'une mousse réticulée qui entoure lesdits passages, les particules
sont transportées par les courants gazeux de l'effluent gazeux à l'intérieur
des
cellules entre les fils et sont déposées sur les surfaces des fils par impact
inertiel et par des mécanismes de diffusion Brownienne.
De préférence, l'invention vise les particules présentant un diamètre
compris entre environ 0,01 pm et environ 100 pm et en ce que l'effluent gazeux
présente une vitesse dans les passages comprise entre environ 3 et environ 20
m/s.
Selon une particularité de l'invention, lesdits passages sont réalisés par
perforation ou par forage de trous à travers des feuilles ou des blocs d'un
matériau en mousse réticulée.
De préférence, en outre, l'on secoue ou l'on fait vibrer périodiquement ladite
enveloppe de façon à faire tomber la poussière déposée sur lesdits fils de la
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mousse dans des moyens appropriés disposés au-dessous de la mousse
réticulée.
D'autres avantages, caractéristiques et améliorations selon l'invention
apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre
IIIuStratif et n uiiciTl -u ni i cil i~icre ricc nu>~ i~gu fcS diinéXees 5clon
lesquelles :
- La figure 1 est une perspective d'une partie d'un séparateur selon
l'invention;
- La figure 2 est une coupe longitudinale schématique d'un mode de
réalisation de l'invention; et
- La figure 3 est une perspective simplifiée d'un autre mode de réalisation
de l'invention.
La figure 1 montre un bloc réalisé en un matériau spongieux 1 selon
l'invention. Le matériau peut avantageusement être une mousse réticulée de
polyuréthanne, ou de polyuréthane recouvert de PVC, une mousse réticulée
de carbone vitreux ou encore une mousse réticulée d'un métal tel que
l'aluminium, le nickel ou le plomb. Une mousse réticulée d'un matériau
céramique peut aussi être utilisée sans sortir du cadre de l'invention.
Les matériaux visés par l'invention sont constitués de petites cellules
par exemple dodécaédriques formés de fils, filaments ou ligaments fins
entremêlés. La porosité est couramment comprise entre 90 et 98 %. La taille
des cellules varie entre environ 0,5 mm et environ 5 mm et le diamètre des
fils est compris entre 50 um et 1000 um. Un diamètre de fils compris entre 50
et 100 um peut parfois être préféré.
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Par ailleurs, des canaux 2, préférentiellement parallèles entre eux,
sont percés ou forés dans le matériau spongieux 1. Ces canaux permettent
l'écoulement du fluide selon les flèches A de la figure 1. Les canaux 2
présentent ici un diamètre compris entre 3 et 100 mm. La distance entre
deux canaux peut être comprise entre environ 2 mm jusqu'à environ 20
La section transversale occupée par les canaux d'écoulement 2
représente entre 30 et 70 ô de la section transversale totale de ladite
mousse.
La section des canaux est préférentiellement circulaire, comme illustré
sur la figure 1. Cependant les sections des canaux peuvent présenter une
autre forme sans sortir du cadre de l'invention.
La disposition générale des canaux peut être telle qu'un réseau
quadrillé de canaux parallèles est formé. Cependant un réseau de canaux
ordonnés différemment peut ètre envisagé sans sortir du cadre de
l'invention.
A titre illustratif, un essai a été effectué sur la base d'un bloc en
mousse réticulée de polyuréthanne, percé de 63 canaux de circulation ayant
chacun un diamètre d'environ 6 mm et une longueur de 18 cm ; la distance
centre à centre des canaux est de 12 mm ; le taux de captation de particules
d'environ 1,5 m de diamètre est alors de 95 %. Le débit des effluents est
d'environ 30 m'/h et la perte de pression dans le dispositif est de l'ordre de
0,75 kPa. Cette perte de pression peut être plus faible encore en
augmentant la longueur des canaux et leur diamètre d'un mème facteur, tout
en maintenant le même taux de captation.
Un autré exemple relatif à l'invention concerne la séparation d'un
brouillard d'eau ayant des particules d'environ 30 m de diamètre, dans un
courant d'air. Une mousse réticulée de polyuréthanne dont la taille des
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cellules est d'environ 0,5 mm est utilisée. Cette mousse est percée de 162
canaux horizontaux circulaires d'environ 1 cm de diamètre (distance centre à
centre de 1 cm), 34 cm de long. La vitesse de l'air dans les canaux est
d'environ 7 m/s avec une chute de pression d'environ 0,3 Kpa. Un taux de
~ captation d'environ 99, 98 'O a ainsi été obtenu.
Dans le domaine de la séparation des gouttelettes formant un
brouillard, la présente invention présente l'avantage de drainer les
gouttelettes qui forment ainsi un liquide qui s'écoule par gravité à travers
le
matériau spongieux réticulé.
10 Un exemple d'application est illustré par la figure 2 qui concerne un
séparateur de brouillard visqueux en coupe longitudinale.
Un mélange de gaz et de brouillard huileux arrive selon la flèche B de
la figure 2 dans une enceinte 10 qui contient le matériau spongieux.
La mélange traverse l'ensemble des canaux 2 percés à travers le
matériau spongieux et ressort de l'enceinte 10 selon la flèche C à l'autre
extrémité des canaux 2. Le drainage obtenu selon l'invention permet à l'huile
d'être collectée au fond de l'enceinte 10. Cette huile peut elle-même être
évacuée et stockée dans un réservoir ou tout autre moyen spécifique tel que
3. Ainsi l'huile capturée par les fils formant le matériau spongieux s'écoule
au
fond du dispositif sensiblement au même débit qu'elle est absorbée.
En d'autres termes, le matériel spongieux est saturé de liquide sur
une hauteur limitée, correspondant au taux d'absorption des fils du matériel
spongieux, limitée par le débit d'évacuation prévu.
Une séparation relative à un brouillard huileux ayant des particules
d'environ 1 um de diamètre dans un courant d'air a été réalisée : une
mousse réticulée de polyuréthanne dont la taille des cellules est d'environ
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0,5 mm est utilisée. Cette mousse est percée de 1 ô2 canaux horizontaux,
d'environ 1 cm de diamètre (distance centre à centre 1 cm), de 68 cm de
longueur. La vitesse de l'air dans les canaux est d'environ 10 m/s. Une chute
de pression de l'ordre de 1,8 kPa est mesurée et un taux de captation de
96 O est ainsi réalisé.
Vis-à-vis des séparateurs constitués de matelas fibreux ou autres, la
présente invention permet de se passer de carcasse ou autre élément de
rnaintien du matelas, puisque le matériau spongieux selon l'invention est
suffisamment rigide à l'origine pour être perforé par tout moyen connu en soi.
De plus une grande précision dans le forage peut être obtenue.
Le dispositif selon l'invention est adapté à la séparation de fumées
d'effluents gazeux. Les dépôts se font alors sur les fils de la mousse
réticulée, où ils forment une couche solide ou bitumineuse.
Les particules étant présentes dans de faib!es concentrations, le
nettoyage et/ou le remplacement de la mousse est très peu fréquent.
En outre, sans sortir du cadre de l'invention, la mousse réticulée selon
l'invention peut être lavée lorsqu'elle est sale, puis elle est remise en
place
une fois propre.
Le dispositif selon l'invention est en outre adapté à la séparation de
poussières industrielles. Dans ce cas, les canaux d'écoulement, seront
préférentiellement orientés verticalement de sorte que la poussière déposée
sur les fils peut en être dégagée en faisant vibrer le dispositif. Ainsi la
poussière tombe par gravité dans les canaux dans lesquels l'écoulement est
arrêté pendant le nettoyage.
Un autre exemple, concernant les fumées issues d'un catalyseur de
FCC est donné : les particules ont un diamètre d'environ 6 m. La mousse
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est en céramique réticulé ayant des cellules d'environ 2 mm. 88 canaux
circulaires soit horizontaux soit verticaux, ayant un diamètre d'environ 1,3
cm
traversent de part en part ladite mousse. La distance centre à centre des
canaux est d'environ 1,3 cm. Trois portions de mousse mesurant chacune
environ 23 cm. sont disposées en série (longueur totale environ 70 cm). La
vitesse de l'air dans les canaux est d'environ 7 m/s et une chute de pression
d'environ 0,25 kPa a été mesurée. Un taux de captation d'environ 94 % a
ainsi pu être obtenu selori cet exerriple.
Sans sortir du cadre de l'invention, un dispositif tel que présenté
l0 schématiquement sur la figure 3 peut être prévu.
Le séparateur est ici constitué d'un assemblage de feuilles ou plaques
4 de mousse réticulée qui forment un quadrillage à travers lequel passent les
effluents à traiter. Les plaques sont contenues dans une enveloppe 5.
Comme dans les précédents mode de réalisation de l'invention, les
effluents à traiter arrivent selon la flèche B, traversent les canaux 2 de
part
en part puis ressortent selon la flèche C.
Selon un exemple d'application, les carrés du quadrillage ont un coté
égal à 1,25 cm ; l'épaisseur des plaques de mousse est de l'ordre de 3 mm
la mousse est une mousse de Nickel ayant 30 et 40 cellules (ou pores) par
?0 inch. La taille des cellules est de l'ordre de 0,75 mm avec des fils
d'environ
50 m de diamètre.
Le quadrillage peut aussi être constitué de rectangles ou autres
formes géométriques obtenues à partir d'un enchevêtrement de plaques 4
en mousse réticulée.
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La longueur des canaux est selon cet exemple de 18 cm ; la hauteur
du séparateur est de 11,5 cm et sa longueur (vue de face) de 49,5 cm. La
figure 3 illustre globalement cette géométrie.
