LES BASES DE LA SÉPARATION LIQUIDE SOLIDE

La séparation liquide solide appliquée à la filtration industrielle

Les ingénieurs de processus utilisent leur propre type de recherche pour sélectionner le bon type d’équipement de séparation liquide solide. Ce n’est pas une tâche facile.

L’examen approfondi des processus de séparation solide liquide n’a peut-être pas l’intérêt d’une enquête sur le chantage et les cambriolages, ni sur l’extorsion et l’espionnage, mais les ingénieurs en processus de filtration des liquides peuvent toujours apprendre beaucoup de choses de Sherlock Holmes et du Dr. John Watson.

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séparation liquide solide
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Le défi de la séparation liquide solide

Les ingénieurs de processus doivent utiliser leur propre méthode de sélection pour choisir le bon type d’équipement de séparation liquide solide. Ce n’est pas une tâche facile.

La vaste gamme d’équipements pouvant être utilisés et les solutions illogiques souvent nécessaires peuvent être source de confusion. Pour compliquer encore les choses, il n’existe que deux principes de base de la séparation liquide solide, ce qui signifie que des équipements qui pourraient ne pas être le choix idéal doivent fonctionner, tout en sacrifiant certes une certaine efficacité.

Les ingénieurs doivent faire particulièrement attention lorsqu’ils travaillent avec des fournisseurs proposant un seul type d’équipement. La solution proposée peut fonctionner mais ne constitue pas nécessairement le choix le plus intelligent. Les ingénieurs confrontés à un défi de séparation liquide solide doivent effectuer leurs propres évaluations de base des solutions possibles ou probables.

Plusieurs méthodes de classification des équipements de séparation liquide solide sont disponibles. En premier lieu, l’ingénieur doit décider si le processus est discontinu ou continu. Ce n’est pas aussi simple qu’il y paraît. Par exemple, si un processus de réaction / précipitation peut être discontinu ou continu, le même choix s’applique à l’équipement solide liquide.

Les ingénieurs doivent également examiner le processus en aval et déterminer s’il s’agit d’un processus discontinu ou continu. Le plus souvent, un processus continu est plus efficace. Cependant, d’autres aspects du processus tels que le temps passé dans le réacteur, le dimensionnement / la rupture des cristaux, la manipulation des solides (ou si le processus peut traiter des boues concentrées plutôt que des solides), le temps de séchage et d’autres paramètres doivent être pris en compte.

Après avoir examiné le processus, le facteur suivant à considérer est le type de rejet requis: discontinu ou continu, solides secs, solides humides ou boue concentrée. L’ingénieur doit savoir si les solides, les liquides ou les deux sont considérés comme le «produit», ainsi que si le processus global est automatisé ou manuel. Par exemple, les solides sont-ils directement déchargés dans le processus en aval ou déplacés par des convoyeurs, des bacs ou des grands récipients pour vrac ? Ou d’autres systèmes sont-ils utilisés ?

Enfin, l’ingénieur doit examiner la quantité de solides à filtrer. Par exemple, le lisier de traitement contient-il «une teneur en solides élevée» pouvant aller de 50 à 60% de solides, ou une faible teneur en solides, comprise entre 2 et 5% ou jusqu’à des traces au niveau des parties par million (ppm) ?

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Principes et mécanismes pour une séparation efficace liquide solide

Les deux principes de base de la filtration liquide solide impliquent soit la séparation des liquides des solides, soit la filtration des solides des liquides, en utilisant l’un des deux principes suivants:

  • Que les solides auront tendance à aller dans un sens et les liquides dans l’autre (séparation)
  • Cette utilisation sera faite d’un trou plus petit que les solides à capturer (filtration)

Néanmoins, plus de 100 types d’équipements différents sont disponibles, beaucoup avec leurs propres variantes.

En se concentrant sur la séparation liquide solide, les solides en suspension sont retirés du liquide à la surface (filtration sur gâteau) ou dans la profondeur du média filtrant. La profondeur du média filtrant peut être le média filtrant lui-même, le gâteau ou l’auxiliaire de filtrage. Indépendamment de la surface de filtration en profondeur, il existe trois mécanismes d’élimination: impact inertiel, interception par diffusion ou interception directe.

Les particules dans un fluide ont une masse et une vitesse et donc une quantité de mouvement associée. Lorsque le liquide et les particules entraînées passent à travers un média filtrant, le liquide emprunte le chemin de moindre résistance et est dévié autour de la fibre. En raison de leur élan, les particules ont tendance à se déplacer en ligne droite.

Par conséquent, les particules situées au centre ou près du centre de la ligne d’écoulement frappent ou impactent la fibre et sont éliminées. En règle générale, les particules plus grosses s’écartent plus facilement des lignes d’écoulement que les plus petites. En pratique, les densités différentielles des particules et des liquides étant très faibles, ce mécanisme est moins efficace en filtration liquide.

Pour les particules de faible masse, la séparation peut résulter d’une interception par diffusion. Dans ce mécanisme, les particules entrent en collision avec les molécules liquides, ce qui les fait se déplacer de manière aléatoire autour des lignes d’écoulement du fluide.

Ces mouvements, observés uniquement à un niveau microscopique, sont appelés mouvements browniens. Le mouvement provoque la déviation des particules plus petites des lignes d’écoulement de fluide et augmente le risque qu’elles atteignent la surface des fibres et soient éliminées. Cependant, comme avec l’impaction inertielle, ce mécanisme n’a qu’un rôle mineur dans la filtration des liquides.

Tout aussi efficace dans les liquides et les gaz, l’interception directe est le mécanisme prédominant pour éliminer les particules des liquides. Dans la profondeur du média filtrant (le média lui-même, le gâteau ou l’auxiliaire de filtration, comme indiqué précédemment), non seulement une fibre ou une structure unique, mais également un chemin plutôt sinueux est visible.

Ce chemin sinueux définit les pores ou les ouvertures qui permettront d’éliminer les solides. Si elles traversent la structure ou si deux particules ou plus heurtent un pore simultanément, les particules plus petites que le diamètre des pores peuvent également être éliminées.

L’impaction inertielle et l’interception par diffusion sont beaucoup moins efficaces avec les liquides qu’avec les gaz. Étant donné que la densité des particules sera généralement plus proche de celle du liquide que de celle du gaz, l’écart d’une particule en suspension par rapport à la conduite d’écoulement de liquide est beaucoup moins important, de sorte qu’un impact sur la structure du milieu est moins probable.

De plus, l’impact sur la surface du média filtrant n’est pas suivi de l’adhésion des particules à la surface du média filtrant. L’interception par diffusion dans les liquides ne se produit que dans une très faible mesure, car le mouvement brownien n’est pas aussi prononcé dans les liquides que dans les gaz.

Filtre Autonettoyant

Le filtre PLM est un filtre autonettoyant automatique inox et sans aucun consommable. Il est particulièrement efficace pour la filtration des peintures industrielles ou la filtration de tous les produits visqueux.
Le filtre PLM est un filtre autonettoyant automatique inox et sans aucun consommable. Il est particulièrement efficace pour la filtration des peintures industrielles ou la filtration de tous les produits visqueux.

Filtre à Poche

Le filtre à Poche de K2 Technologie est un filtre industriel robuste et économique, pouvant utiliser une large variété de poches filtrantes pour répondre à de nombreuses applications : eau, chimie, agroalimentaire, cosmétique …
Le filtre à Poche de K2 Technologie est un filtre industriel robuste et économique, pouvant utiliser une large variété de poches filtrantes pour répondre à de nombreuses applications : eau, chimie, agroalimentaire, cosmétique …

Filtre Gravitaire

Filtre Gravitaire automatique pour filtration des liquides de procédé et de rejet industriels
Filtre Gravitaire automatique pour filtration des liquides de procédé et de rejet industriels

Aides à la séparation liquide solide

Dans certains cas, pour faciliter le processus de filtration, des aides à la filtration sont utilisées pour changer la phase solide du matériau. Les auxiliaires de filtration peuvent aller de produits exclusifs tels que la terre de diatomée ou la silice expansée à des matériaux cristallins choisis au hasard.

En général, ils ne sont utiles que dans les procédés de filtration, bien que dans des cas spécifiques, ils puissent aider à la décantation si les solides en suspension ont tendance à adhérer aux cristaux auxiliaires du filtre ou à les heurter.
La diatomite, la perlite et la cellulose sont les supports poreux les plus utilisés (aides au filtre) dans les filtrations de processus dynamiques, avec un pourcentage élevé d’applications de filtration fine utilisant de la diatomite.

La diatomite est obtenue à partir de terre de diatomées. Ce sédiment est fortement enrichi en silice sous la forme de diatomées siliceuses, un ensemble diversifié d’algues unicellulaires microscopiques de la classe Bacillariophyceae. Ces diatomées sont suffisamment durables pour conserver leur structure pendant de longues périodes de temps géologique et de traitement thermique.
Les produits à base de diatomite se caractérisent par une structure intrinsèquement complexe et hautement poreuse composée principalement de silice, ainsi que d’impuretés d’alumine, d’oxyde de fer et d’oxydes alcalino-terreux.

La perlite est un verre volcanique naturel qui se dilate thermiquement lors du traitement. Il s’agit d’un silicate de sodium, de sodium et d’aluminium. Après broyage, une structure complexe et poreuse est présente, mais comme sa structure n’est pas aussi complexe et tortueuse que celle de la diatomite, la perlite est mieux adaptée à la séparation des microparticules grossières des liquides à forte charge en solides.

La perlite a une densité inférieure à celle de la diatomite, ce qui permet d’utiliser moins de média filtrant en poids. Elle et la diatomite sont des composants de filtration fonctionnels utiles des feuilles de filtre en profondeur et des tampons.

Prise en compte de la cellulose et d’autres milieux organiques pour la séparation liquide solide.

Le média filtrant en cellulose est produit par le traitement au sulfite ou au sulfate de bois durs. La cellulose se caractérise par son ratio d’aspect élevé, ce qui lui permet de pré-revêtir facilement un média filtrant. Il est le plus souvent utilisé en association avec de la diatomite. Comme la perlite, la cellulose possède une structure moins complexe que la diatomite.

Les autres supports organiques comprennent les particules d’amidon de pomme de terre, le coton collé et les fibres et flocons polymères. Ces matériaux peuvent aider à disperser la diatomite dans certains systèmes ou sont spécifiques à certaines applications. Les cendres provenant de la combustion des balles de riz ont une teneur élevée en silice et un charbon résiduel. Elles sont utiles dans le traitement des déchets et la stabilisation des matières dangereuses.

L’auxiliaire de filtration peut être utilisé comme pré-couche ou comme aliment corporel. En tant que couche préalable, l’adjuvant de filtrage protège le média filtrant contre la pénétration de solides indésirables et l’aveuglement prématuré du média.

En pratique, une combinaison des deux approches est la plus courante. Dans tous les cas, rappelez-vous que cet adjuvant de filtrage fait partie des solides et qu’il n’existe aucun moyen pratique de les séparer dans des conditions normales. Ainsi, ils ajoutent à la quantité de solides à éliminer.

Le choix de l’aide de filtrage appropriée dépend de la compréhension par l’ingénieur de l’application et de l’objectif de filtration. Par exemple, la taille des particules, le taux de sédimentation, la densité des solides et, ce qui est le plus important, les caractéristiques des solides (granuleux, visqueux, grossiers, fins ou autres) sont des paramètres critiques à prendre en compte. Tenez également compte de la manière dont les solides à éliminer vont interagir avec l’aide au filtre.

Si les solides forment une couche imperméable, l’épaisseur de la pré-couche n’a aucune importance, car la filtration s’arrêtera une fois la couche de solides formée. Si les solides sont plus fibreux et amorphes et peuvent pénétrer dans la profondeur de la pré-couche, une pré-couche plus épaisse sera bénéfique.

Média filtrant pour la séparation liquide solide

Un treillis métallique à armure toile comporte un motif simple de sur et sous armure et un chemin de flux droit.
Un treillis métallique à armure toile comporte un motif simple de sur et sous armure et un chemin de flux droit.

Pour les besoins de cet article, il existe deux principaux types de filtres : les médias en tissus synthétique ou en métal. Le choix du support dépend de l’efficacité de l’élimination de la filtration, des exigences du processus, de la technologie de filtration, des caractéristiques des solides et des liquides, ainsi que d’autres paramètres tels que la résistance chimique et thermique.

Avec les tissus synthétiques, les matériaux peuvent être du polyester; nylon; le polypropylène; Kynar; ou des polymères fluorés, tels que ETFE, PTFE, E-CTFE, carbonisé ou polyester. Les médias filtrants peuvent ensuite être segmentés en fonction du degré d’ouverture. Les armures lisses et carrées ont des ouvertures d’armure visibles ou presque visibles normalement supérieures à 200 microns et une toile filtrante à armure fermée de 1 à 200 microns. Pour le tissage lui-même, la chaîne est la longueur du fil longitudinal d’un rouleau, tandis que la trame est le fil transversal.

Maille filtrante

Maille filtrante pour séparation liquide solide
Maille filtrante pour séparation liquide solide

Toile filtrante

Toile filtrante pour séparation liquide Solide
Toile filtrante pour séparation liquide Solide

Non tissé filtrant

Non Tissé
Non Tissé

Les fournisseurs de médias filtrant parlent également de monofilaments et de multifilaments. Les monofilaments sont les tissus les plus concis et les plus réguliers. Les fils singuliers sont capables de détails exacts. Ils portent bien, et les solides sont moins susceptibles d’adhérer.

Ils sont plus faciles à nettoyer et moins susceptibles de devenir aveugles. La surface des fils est moins grossière, ou plus lisse et polie. Les tissus multifilaments sont de fins brins torsadés en fils. Les fils sont grossiers et ont une élasticité légère. Les multifilaments sont plus difficiles à nettoyer et peuvent parfois piéger les solides. Les médias filtrants peuvent également être à la fois mono et multifilaments.

Enfin, différentes spécifications concernent la surface ouverte, la taille du filetage et la taille des pores. Les pourcentages indiqués indiquent la relation entre la surface totale ouverte du maillage et la surface couverte par les fils eux-mêmes. Un plus grand pourcentage de surface ouverte permet des taux de filtration plus élevés. Une plus grande taille de fil a plus de résistance, mais le pourcentage de surface ouverte dans le maillage total est diminué. Le nombre réel de fils par cm² de tissu est toujours le même.

Les fournisseurs de médias filtrants rendent la situation encore plus “confuse” avec différentes descriptions et nomenclatures.
Les tissus synthétiques incluent:

• armure carrée
• armure sergé
• Uni, inverse néerlandais
• Tissage double couche

Média métallique pour la séparation liquide solide

L’alternative est un support métallique. Les supports métalliques peuvent être monocouches ou multicouches et sont fabriqués en acier inoxydable et en alliages, tels que Hastelloy, Inconel, nickel, Monel et titane. La maille simple couche en métal est semblable aux tissus tissés.
Les autres armures métalliques comprennent:

• armure toile
• armure croisée
• Tissage hollandais uni
• Twilled Dutch

Les tissages multicouches peuvent être frittés ou non frittés. Avec un matériau non fritté, l’enchevêtrement du tissage est le seul facteur de résistance qui empêche le mouvement du fil. Le frittage rend la géométrie du tissage d’origine permanente, et donc la taille des pores est fixée.

Les supports métalliques frittés sont constitués de plusieurs couches de treillis métallique et conçus pour une porosité contrôlée précise, une taille et une distribution des pores uniformes. Les stratifiés sont liés en permanence dans des conditions précises de collage par diffusion (frittage). Les conceptions standard peuvent être deux, trois ou cinq couches. La couche intermédiaire excelle en efficacité d’élimination, tandis que la couche supérieure est protectrice et le fond en drainage.

Le rôle des coagulants et des floculants dans la séparation liquide solide

Comme indiqué précédemment, les auxiliaires de filtration peuvent modifier la phase de matériau des solides. Dans certaines situations, pour faciliter le processus de filtration, il est nécessaire de changer la taille effective des particules des solides avec les processus de coagulation et de floculation.

Ceux-ci ne peuvent être utilisés que si le processus lui-même tolère des produits chimiques ajoutés. Les particules en suspension dans le lisier varieront en taille, forme et densité. La coagulation et la floculation se produisent par étapes successives destinées à surmonter les forces stabilisant les particules en suspension et à permettre la collision et la croissance de particules solides en particules plus grosses facilitant la filtration. Si une étape est incomplète, la suivante échouera.

Chimiquement, les produits chimiques coagulants sont des sels métalliques, tels que l’alun ou des polymères. Les polymères sont des composés organiques synthétiques composés d’une longue chaîne de molécules plus petites. Les polymères peuvent être cationiques (à charge positive), anioniques (à charge négative) ou non ioniques (à charge neutre).

Les coagulants sont généralement introduits dans l’eau selon l’une des deux méthodes suivantes. Un alimentateur gravimétrique déplace les produits chimiques secs dans l’eau en poids. Une pompe doseuse introduit un liquide dans l’eau en pompant un volume de solution à chaque tour ou rotation.

La première étape déstabilise les charges de la particule. Des coagulants dont les charges sont opposées à celles des solides en suspension sont ajoutés à la suspension pour neutraliser les charges négatives. Une fois la charge neutralisée, les petites particules en suspension peuvent se coller.

Les particules légèrement plus grosses formées par ce processus, appelées microflocs, sont invisibles à l’œil nu. L’eau entourant les microflocs nouvellement formés doit être claire. Si ce n’est pas le cas, toutes les charges des particules n’ont pas été neutralisées et la coagulation n’a pas été menée à son terme. Dans ce cas, davantage de coagulant peut être nécessaire.

Après la coagulation, un deuxième processus appelé floculation se produit. Une étape de mélange en douceur, il augmente la taille des particules de microfloc sous-microscopique à des particules en suspension visibles. Les microflocs sont mis en contact les uns avec les autres par mélange lent.

Les collisions des particules de microflocs les amènent à se lier pour produire des flocs plus gros et visibles. La taille des flocs continue de s’accumuler en raison d’une collision et d’une interaction supplémentaires avec les polymères ajoutés.

Une fois que le floc a atteint sa taille et sa résistance optimales, le lisier est pompé vers le système de filtration. Il est important de sélectionner la pompe appropriée pour le lisier floqué afin d’assurer que les forces de cisaillement de la pompe ne détruisent pas les flocs.

Changements de surface

Les charges de surface sur les particules peuvent influer sur la vitesse et l’étendue du processus de filtration. La magnitude de la charge réelle n’est pas facile à mesurer, mais la charge effective des solides dans la suspension peut être caractérisée par le potentiel zêta du solide.

Qu’est-ce que cela signifie pour la filtration? Parfois, des forces répulsives maximales sont bénéfiques pour maintenir les particules discrètes et les empêcher de pénétrer dans des particules plus grosses et de se déposer. Dans d’autres cas, l’effet inverse est souhaitable car en éliminant les forces, les particules sont autorisées à croître et à se déposer. La vraie réponse dépend des conditions du processus et de l’application.

Il est important de noter que le potentiel zêta peut varier en fonction du pH et de la force de l’espèce ionique dans le lisier. Par exemple, le potentiel zêta peut être réduit en ajoutant des ions d’électrolyte non adsorbés à la suspension épaisse pour favoriser l’agglomération des solides. Bien entendu, ces paramètres ne peuvent être modifiés que s’ils sont compatibles avec le processus.

L’intensité de la charge de la particule et de la fibre est critique. Normalement, à mesure que la charge augmente et que la taille des particules diminue, l’efficacité de capture augmente. Cependant, n’oubliez pas que la charge ou le potentiel zêta est souvent instable et peut être influencé par le pH, l’humidité, la force ionique et d’autres facteurs.

Il y a beaucoup à dire sur les procédés de séparation liquide solide.

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