La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un élément filtrant tubulaire minéral par exemple constitué d'au moins une couche mince d'au moins un oxyde métallique et/ou d'au moins un fluorure métallique, déposée sur un support céramique ou métallique.
Suivant un procédé connu, de tels éléments, en général tubulaires, sont réalisés par mise en forme du matériau inorganique pulvérulent et traitement thermique destiné à assurer la résistance mécanique de l'ensemble, suivant des techniques maintenant usuelles dans les industries de la métallurgie des poudres et des céramiques. Ces éléments peuvent être réalisés en divers métaux et alliages tels que l'acier, le bronze et le nickel, ou en oxyde comme l'alumine, la magnésie et les silicates ou en composés plus ou moins réfractaires tels que les fluorures, les carbures, les nitrures et les borures.
Dans le cas de réalisation de tubes, ces matériaux pulvérulents sont mélangés avec un liant organique et filés, sous pression, à travers une buse annulaire. Ces tubes sont ensuite séchés et traités thermiquement pour éliminer les liants et assurer la cohésion des grains de la poudre.
Cette technique est bien adaptée à la réalisation de tubes de relativement grande épaisseur, de plusieurs millimètres, par exemple.
Cependant, ces filtres ou supports poreux doivent présenter, dans la majorité des cas d'application, une perméabilité aussi élevée que possible pour permettre un débit maximal et une perte de charge très faible des fluides qui les traversent.
On a donc cherché, compte tenu de ces impératifs, à réaliser de tels tubes ayant de très faibles épaisseurs mais leur fabrication industrielle est difficile et onéreuse et ces tubes ont une résistance mécanique très faible. On fabrique donc habituellement des éléments à débit important, donc à dimensions de pores relativement élevées, c'est-à-dire en utilisant des poudres à gros grains.
On a cependant souvent besoin, notamment pour arrêter des particules très fines, que ces éléments présentent une texture très fine, à rayons de pores très faibles. Une telle exigence n'est pas compatible avec la recherche de la grande perméabilité qui constitue une qualité primordiale des éléments filtrants considérés.
Pour obtenir des éléments satisfaisant à ces exigences il est maintenant courant de réaliser des matériaux multicouches, c'està-dire constitués, dans l'épaisseur, de couches à forte perméabilité et rayons de pores importants et de couches à faible perméabilité et rayons de pores très fins.
En réalité et dans les cas les plus courants, ces éléments sont constitués d'un support tubulaire de forte perméabilité apportant la résistance mécanique de l'ensemble sur lequel est déposée une couche très mince, en général placée à l'intérieur du tube et qui impose ses caractéristiques propres de débit et de rayon de pores déterminés. Il est évident que la couche doit être aussi mince que possible afin de ne pas diminuer exagérément la perméabilité de l'ensemble.
Le diamètre intérieur du support à forte perméabilité étant souvent faible, il n'est pas possible de déposer la couche fine par pulvérisation d'une poudre en suspension, électrostatiquement ou non, comme cela se pratique habituellement en peinture. Différents procédés d'enduction ont donc été proposés, par exemple: la pulvérisation de poudre sèche à l'intérieur d'un tube poreux préalablement imprégné d'un liquide volatil. Ce procédé conduit, à cause de la difficulté d'alimentation d'une buse en une poudre sèche, à des dépôts hétérogènes d'épaisseur non uniforme, et surtout très fragiles. Il n'est pratiquement pas possible de manipuler ces éléments après enduction sans les détériorer et ce procédé, très lent, n'est pas industriel.
Un autre mode d'enduction consiste à filtrer, à travers le tubesupport poreux, une suspension de la poudre minérale à déposer, dans un liquide volatil et inerte vis-à-vis de cette poudre.
L'épaisseur de la couche peut être réglée, à concentration de suspension équivalente, par le temps de filtration ou encore par la mesure du volume de liquide filtré. Par suite de phénomènes de turbulence au cours de la filtration, il n'est pas possible, par ce procédé, d'obtenir des couches de très faible épaisseur qui sont nécessaires à la réalisation d'éléments à débit élevé. De plus, ce procédé met en oeuvre un appareillage lourd et onéreux et des quantités de suspensions très importantes.
D'autres méthodes, encore plus complexes, peuvent être mises en oeuvre, par exemple le dépôt par centrifugation: le tube rempli d'une suspension de la# poudre dans un liquide étant mis en rotation autour de son axe, la poudre vient se déposer sur la paroi interne du support; ou encore enduction par écouvillonnage d'une pâte formée de la poudre et d'un solvant, etc. Toutes ces techniques nécessitent un appareillage assez complexe qui se prête difficilement à une fabrication à grande cadence d'éléments poreux composites et ne conduisent pas aux caractéristiques recherchées, c'est-à-dire à une très faible épaisseur de la couche déposée et à une absence de défauts de cette couche. La présente invention apporte, dans le domaine de réalisation de ces éléments séparateurs, d'importantes améliorations.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un élément filtrant tubulaire constitué d'un support rigide métallique ou céramique et d'au moins une couche poreuse minérale, chaque couche poreuse ayant des pores plus petits que ceux du support métallique, caractérisé par les étapes qui consistent à mettre en contact la paroi interne et/ou la paroi externe du support avec un liquide contenant en suspension une poudre minérale devant constituer une couche poreuse, le liquide assurant le transport de la poudre minérale et son adhérence au support, à égoutter le support, à le sécher, à le comprimer et à le chauffer. La couche ainsi obtenue peut être comprimée sur son support à l'aide d'une membrane élastique pour la compacter et lui conférer une plus grande résistance mécanique et, éventuellement, diminuer la taille des pores.
Elle peut être également traitée thermiquement de façon à être consolidée mécaniquement. La suspension de la poudre minérale dans un liquide destinée à assurer le dépôt sur le support poreux peut renfermer une petite proportion d'un ou de plusieurs produits organiques pouvant agir comme liant provisoire assurant la cohésion des grains de la poudre minérale après élimination du liquide ou comme agent facilitant la dispersion ou la défloculation de cette poudre minérale ou encore pouvant modifier favorablement les caractéristiques rhéologiques de la suspension.
C'est ainsi que la nature, la concentration du liant organique utilisé, le pH de la suspension déterminent la viscosité de ladite suspension et son seuil d'écoulement qui ont une grande influence sur la régulation de l'épaisseur du dépôt et sur l'homogénéité de ce dernier le long du support. C'est ainsi qu'en utilisant des suspensions à écoulement dit newtonien et pendant l'égouttage du liquide, la partie supérieure du support se dégarnit alors que la base se charge, d'où une importante hétérogénéité du dépôt. En choisissant les constituants de la suspension et, en particulier, le liant organique de telle façon que celle-ci présente un seuil d'écoulement ou encore une force minimale de cisaillement, le dépôt peut être, au contraire, parfaitement homogène.
La réalisation d'éléments filtrants suivant l'invention peut être, suivant un procédé simple, pratiquée en remplissant le support par la suspension, en laissant celle-ci en contact un temps déterminé, en vidant ladite suspension et en laissant l'élément ainsi enduit s'égoutter et sécher. Ce filtre est ensuite soumis à un traitement thermique destiné à éliminer le ou les liants organiques ou produits chmiques volatils et à consolider le film minéral déposé.
Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention comprend un récipient fermé équipé d'un orifice d'alimentation en la suspension de poudre minérale, un conduit de mise à l'air et de mise en pression de l'intérieur du récipient, un tube-support plongeant jusqu'au voisinage du fond du récipient et supportant l'élément tubulaire et un ensemble de contrôle du niveau de la suspension au niveau d'un tube transparent qui surmonte l'élément tubulaire.
Suivant un mode de réalisation particulier de ce dispositif, les extrémités des éléments tubulaires sont équipées de joints étanches, la partie supérieure étant en communication avec un tube qui permet, du fait de sa transparence, de vérifier le niveau de la suspension et qui est muni d'une sonde ou d'une cellule photo-électrique qui assure l'arrêt de l'enduction lorsque le niveau de la suspension atteint cette partie transparente. L'extrémité inférieure de chaque élément tubulaire est en communication avec un tube-support trempant dans la suspension située dans un bac étanche dans lequel on applique une surpression d'air. Cette surpression provoque l'ascension de la suspension dans le support et son enduction.
On décrit maintenant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation du dispositif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure unique est une vue en coupe de ce dispositif.
Un élément filtrant tubulaire 1, équipé à ses extrémités de deux joints étanches 2 et 3, est maintenu en communication à sa partie supérieure avec un tube en verre 4 et à sa partie inférieure avec un tube-support métallique 5 solidaire d'un bac 6. Ce bac est muni d'un tube 7 en T dont chaque branche est équipée d'une vanne 8 et d'une vanne 9 qui permettent, respectivement, I'admission d'un gaz comprimé et la remise à la pression atmosphérique.
Le tube-support 5 plonge au voisinage du fond du bac rempli de la suspension 10 contenant une poudre minérale, le remplissage étant pratiqué par l'orifice étanche 11. Le niveau de la suspension est contrôlé par la cellule photo-électrique 12, son récepteur 13 et un centre de contrôle 14. L'opération d'enduction s'effectue en plaçant l'élément filtrant I entre les tubes 4 et 5 en fermant la vanne 9 de remise à la pression atmosphérique et en ouvrant la vanne 8 d'admission de gaz sous pression. Cette pression qui s'applique sur la suspension 10 fait monter celle-ci dans le tubesupport. Ainsi la suspension 10 assure le transport de la poudre minérale et son adhérence à la paroi interne du support 5.
Lorsque le niveau de la suspension atteint la zone de détection de la cellule photo-électrique 12 et 13 cette dernière par l'intenmé- diaire du centre de contrôle 14 assure la fermeture de la vanne 8 et ouvre la vanne 9 de remise à la pression atmosphérique. La suspension redescend dans le bac 6. Après égouttage, le support est désolidarisé de la machine, séché et chauffé. L'opération peut être recommencée avec un nouveau support.
Il est évident que, au lieu d'appliquer une pression sur la suspension, on peut produire une dépression par le tube 4 de façon à faire monter, de la même manière, la suspension dans le support et cette adaptation ne s'écarte pas du cadre de l'invention.
The present invention relates to a method of manufacturing a tubular mineral filter element, for example consisting of at least one thin layer of at least one metal oxide and / or at least one metal fluoride, deposited on a ceramic support. or metallic.
According to a known process, such elements, in general tubular, are produced by shaping the pulverulent inorganic material and heat treatment intended to ensure the mechanical strength of the assembly, according to techniques now customary in the powder metallurgy industries. and ceramics. These elements can be made of various metals and alloys such as steel, bronze and nickel, or of oxide such as alumina, magnesia and silicates or of more or less refractory compounds such as fluorides, carbides, nitrides and borides.
In the case of tubes, these pulverulent materials are mixed with an organic binder and spun, under pressure, through an annular nozzle. These tubes are then dried and heat treated to remove the binders and ensure the cohesion of the grains of the powder.
This technique is well suited to the production of tubes of relatively great thickness, of several millimeters, for example.
However, these filters or porous supports must have, in the majority of application cases, as high a permeability as possible to allow maximum flow and very low pressure drop of the fluids passing through them.
It has therefore been sought, given these requirements, to produce such tubes having very small thicknesses, but their industrial manufacture is difficult and expensive and these tubes have very low mechanical strength. Elements are therefore usually manufactured at a high throughput, and therefore with relatively large pore dimensions, that is to say by using powders with coarse grains.
However, there is often a need, especially in order to stop very fine particles, for these elements to have a very fine texture, with very low pore radii. Such a requirement is not compatible with the search for high permeability which constitutes an essential quality of the filter elements considered.
In order to obtain elements satisfying these requirements, it is now common practice to produce multilayer materials, that is to say constituted, in the thickness, of layers with high permeability and radii of large pores and of layers with low permeability and radii of pores. very thin.
In reality and in the most common cases, these elements consist of a tubular support of high permeability providing the mechanical resistance of the assembly on which is deposited a very thin layer, generally placed inside the tube and which imposes its own characteristics of determined flow rate and pore radius. It is obvious that the layer must be as thin as possible so as not to excessively reduce the permeability of the assembly.
Since the internal diameter of the support with high permeability is often small, it is not possible to deposit the fine layer by spraying a powder in suspension, electrostatically or not, as is usually done in painting. Various coating methods have therefore been proposed, for example: the spraying of dry powder inside a porous tube previously impregnated with a volatile liquid. This process leads, because of the difficulty in supplying a nozzle with a dry powder, to heterogeneous deposits of non-uniform thickness, and above all very fragile. It is practically not possible to handle these elements after coating without damaging them and this very slow process is not industrial.
Another coating method consists in filtering, through the porous support tube, a suspension of the mineral powder to be deposited, in a volatile liquid which is inert with respect to this powder.
The thickness of the layer can be adjusted, at equivalent suspension concentration, by the filtration time or by measuring the volume of filtered liquid. As a result of turbulence phenomena during filtration, it is not possible, by this process, to obtain very thin layers which are necessary for the production of high flow rate elements. In addition, this process uses heavy and expensive equipment and very large quantities of suspensions.
Other even more complex methods can be implemented, for example deposition by centrifugation: the tube filled with a suspension of the # powder in a liquid being rotated around its axis, the powder is deposited on the internal wall of the support; or coating by swabbing a paste formed of the powder and a solvent, etc. All these techniques require a fairly complex apparatus which lends itself with difficulty to a high production rate of composite porous elements and does not lead to the desired characteristics, that is to say to a very low thickness of the deposited layer and to a absence of defects in this layer. The present invention provides, in the field of making these separator elements, significant improvements.
The subject of the invention is a method of manufacturing a tubular filter element consisting of a rigid metal or ceramic support and at least one porous mineral layer, each porous layer having pores smaller than those of the metal support, characterized by the steps which consist in bringing the internal wall and / or the external wall of the support into contact with a liquid containing in suspension a mineral powder to constitute a porous layer, the liquid ensuring the transport of the mineral powder and its adhesion to the support, to drain the support, to dry it, to compress it and to heat it. The layer thus obtained can be compressed on its support using an elastic membrane in order to compact it and give it greater mechanical strength and, optionally, reduce the size of the pores.
It can also be heat treated so as to be mechanically consolidated. The suspension of the mineral powder in a liquid intended to ensure the deposition on the porous support may contain a small proportion of one or more organic products which can act as a temporary binder ensuring the cohesion of the grains of the mineral powder after removal of the liquid or as an agent facilitating the dispersion or deflocculation of this mineral powder or else which can favorably modify the rheological characteristics of the suspension.
It is thus that the nature, the concentration of the organic binder used, the pH of the suspension determine the viscosity of said suspension and its flow threshold which have a great influence on the regulation of the thickness of the deposit and on the homogeneity of the latter along the support. Thus, by using so-called Newtonian flow suspensions and during the draining of the liquid, the upper part of the support becomes bare while the base is charged, hence a significant heterogeneity of the deposit. By choosing the constituents of the suspension and, in particular, the organic binder in such a way that the latter has a flow threshold or even a minimum shear force, the deposit can, on the contrary, be perfectly homogeneous.
The production of filtering elements according to the invention can be, according to a simple process, carried out by filling the support with the suspension, leaving the latter in contact for a determined time, emptying said suspension and leaving the element thus coated. drain and dry. This filter is then subjected to a heat treatment intended to remove the organic binders or volatile chemicals and to consolidate the deposited mineral film.
A device for carrying out the process according to the invention comprises a closed container equipped with an orifice for supplying the suspension of mineral powder, a duct for venting and pressurizing the interior. of the container, a support tube plunging to the vicinity of the bottom of the container and supporting the tubular element and an assembly for controlling the level of the suspension at the level of a transparent tube which surmounts the tubular element.
According to a particular embodiment of this device, the ends of the tubular elements are equipped with sealed gaskets, the upper part being in communication with a tube which, because of its transparency, makes it possible to check the level of the suspension and which is provided with a probe or a photoelectric cell which stops the coating when the level of the suspension reaches this transparent part. The lower end of each tubular element is in communication with a support tube dipping in the suspension located in a sealed tank in which an overpressure of air is applied. This overpressure causes the suspension to rise in the support and its coating.
An embodiment of the device will now be described by way of non-limiting example, with reference to the appended drawings in which the single figure is a sectional view of this device.
A tubular filter element 1, equipped at its ends with two tight seals 2 and 3, is maintained in communication at its upper part with a glass tube 4 and at its lower part with a metal support tube 5 secured to a tank 6 This tank is provided with a T-tube 7, each branch of which is equipped with a valve 8 and a valve 9 which allow, respectively, the admission of a compressed gas and the return to atmospheric pressure.
The support tube 5 plunges in the vicinity of the bottom of the tank filled with the suspension 10 containing a mineral powder, the filling being made through the sealed orifice 11. The level of the suspension is controlled by the photoelectric cell 12, its receiver. 13 and a control center 14. The coating operation is carried out by placing the filtering element I between the tubes 4 and 5 by closing the valve 9 to return to atmospheric pressure and by opening the inlet valve 8. of gas under pressure. This pressure which is applied on the suspension 10 causes the latter to rise in the support tube. The suspension 10 thus ensures the transport of the mineral powder and its adhesion to the internal wall of the support 5.
When the level of the suspension reaches the detection zone of the photoelectric cell 12 and 13, the latter, via the control center 14, closes the valve 8 and opens the valve 9 to restore pressure. atmospheric. The suspension goes back down into tank 6. After draining, the support is separated from the machine, dried and heated. The operation can be restarted with a new medium.
It is obvious that, instead of applying a pressure on the suspension, it is possible to produce a vacuum through the tube 4 so as to raise, in the same way, the suspension in the support and this adaptation does not deviate from the framework of the invention.