Systèmes de filtration en métal fritté pour les industries de transformation

Principales sorties:

• Les filtres en métal fritté se distinguent par leur grande efficacité d'élimination des particules, leur durabilité et leur capacité à résister à des conditions difficiles telles que des températures élevées et des environnements corrosifs.
• Ils sont conçus pour un service continu dans des industries telles que le raffinage du pétrole, le traitement chimique et pétrochimique et la fabrication pharmaceutique.
• Les filtres prennent en charge diverses méthodes de nettoyage, notamment le lavage à contre-courant, pour garantir une longue durée de vie et des performances constantes.
• Les supports filtrants en métal fritté sont personnalisables en termes de matériau d'alliage et de taille de pores pour répondre aux exigences d'application spécifiques, améliorant ainsi l'efficacité de la filtration et la fiabilité opérationnelle.

 

Systèmes de filtration, utilisant des supports métalliques frittés pour la séparation solide/liquide, se sont avérées être une alternative efficace et économique aux autres méthodes de séparation, qui peuvent être vulnérables aux pics de pression, aux températures élevées et/ou aux environnements corrosifs.

Ces environnements difficiles, exigeant souvent l'utilisation d'un service continu, sont parfaitement adaptés aux systèmes de filtration entièrement métalliques utilisant des supports métalliques frittés, qui ont été fabriqués en éléments métalliques tubulaires. Les supports métalliques frittés ont démontré une efficacité particulaire élevée élimination, performances de filtration fiables, capacité de lavage à contre-courant efficace et longue durée de vie en service dans de nombreuses applications industrielles qui utilisent généralement des filtres à feuilles, des filtres à sacs et des filtres à plaques et à cadres.

Les supports en métal fritté constituent une barrière efficace pour les procédés en aval. Le métal fritté peut également servir de support à des membranes filtrantes plus fines, pré-revêtues, ou servir de septum filtrant lorsqu'elles sont revêtues de résines échangeuses d'ions. Outre une filtration supérieure en un seul passage, le rétrolavage en place réduit l'exposition de l'opérateur aux matériaux de traitement et aux émissions volatiles. Bien que les applications incluent des températures élevées et des environnements corrosifs prolongés, tout procédé de filtration sous pression aux coûts d'exploitation élevés peut être amélioré grâce à la technologie de filtration en métal fritté. Les applications appropriées sont les raffineries de pétrole, les procédés chimiques et pétrochimiques, et les installations de production pharmaceutique.

Principales caractéristiques et propriétés des filtres en métal fritté

Le développement de supports métalliques poreux frittés spécialement conçus et fabriquésGrâce à une matrice poreuse stable, des spécifications précises de point de bulle, des tolérances d'épaisseur serrées et une perméabilité uniforme, le filtre assure une filtration fiable, un nettoyage efficace par contre-lavage et une longue durée de vie en service. Ces pores bien contrôlés sont essentiels pour assurer une élimination efficace des particules des flux de procédé, ainsi que leur élimination ultérieure lors du contre-lavage. Les particules peuvent être un contaminant indésirable, le produit souhaité du procédé chimique ou un catalyseur réutilisable. L'élimination des particules peut améliorer la qualité (valeur) du flux liquide en aval ou faciliter le traitement ultérieur des déchets.

La structure permanente du média métallique fritté permet de nettoyer les cartouches filtrantes de plusieurs manières sans migration. Une microphotographie MEB du média métallique fritté est présentée à la figure 1.

Figure 1 : Image MEB d'un support métallique poreux fritté de grade 2.

Le choix judicieux du type d'alliage pour la résistance à la corrosion et de la qualité du média filtrant pour l'élimination des particules garantit la pureté du liquide lors de la séparation. Le nettoyage in situ des filtres de process s'effectue par contre-lavage liquide ou gazeux. Un nettoyage chimique avec des matériaux compatibles ou un nettoyage par ultrasons dans une solution détergente éliminera les contaminants insolubles du filtre. Les médias métalliques frittés sont disponibles dans une grande variété d'alliages résistants à la corrosion, notamment : aciers inoxydables 316 L, 304L, 310, 347 et 430 ; Hastelloy.^® B, B-2, C-22, C276, N et X ; Inconel^® 600, 625 et 690; Monel^® 400; Nickel 200; Alliage 20; Titane.

Les supports métalliques frittés sont proposés en nuances 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 40 et 100. Le métal poreux fritté offre une plage de températures de service de 750 à 1750 °F, selon l'alliage et les conditions atmosphériques. Le tableau 1 présente les températures de service élevées de plusieurs alliages métalliques frittés.

Tableau 1. Service à température élevée pour certains alliages métalliques frittés.

Température maximale
Matériau	Atmosphère oxydante		Réduire l'atmosphère
	° C	° F	° C	° F
316L SS	400	750	482	900
Iconel 600	593	1100	815	1500
Hastelloy X	788	1450	927	1700

Des éléments filtrants en métal fritté peuvent être fournis pour résister à des pressions différentielles supérieures à 3 000 psi. Le métal fritté est un média permanent, entièrement soudé. Il peut supporter des pics de pression sans migration. La figure 2 présente un assortiment de cartouches en métal fritté fabriquées.

Figure 2. Les cartouches en métal poreux fritté sont disponibles dans une variété de formes, de qualités de supports et d’alliages.

Les propriétés de filtration dépendent des caractéristiques du média filtrant, de la surface disponible et des conditions de traitement de l'application. La rétention des particules, l'uniformité du média filtrant, l'absence de décollement et la nettoyabilité sont des éléments clés du fonctionnement du filtre. Une évaluation de la faisabilité en laboratoire fournit une base solide pour déterminer les spécifications de conception du filtre. Des essais pilotes garantissent que le filtre répond aux spécifications opérationnelles dans les conditions du procédé.

Principe de filtration

Les filtres en métal fritté sont des filtres bidimensionnels à haute efficacité, filtrants, qui collectent les particules à la surface du média. Le choix du type de média doit concilier les exigences de l'application de filtration en termes de rétention des particules, de perte de charge et de capacité de lavage à contre-courant. Trois facteurs de procédé sont à prendre en compte : la vitesse du fluide à travers le média filtrant, sa viscosité et les caractéristiques des particules. Les caractéristiques les plus importantes des particules sont leur forme, leur taille et leur densité. Les particules dures, de forme régulière et formant des gâteaux incompressibles, comme celles du catalyseur FCC, sont particulièrement adaptées à la filtration de surface.

La filtration est basée sur un débit constant, avec une perte de charge croissante jusqu'à atteindre la perte de charge terminale. Les conditions terminales sont atteintes lorsque l'épaisseur du gâteau de catalyseur augmente jusqu'à un point où la perte de charge du fluide atteint son maximum pour un débit et une viscosité donnés. Le filtre est ensuite lavé à contre-courant par mise sous pression de gaz, puis ouverture rapide de la vanne de refoulement. Ce contre-courant génère une forte pression différentielle inverse momentanée, qui élimine efficacement les solides de la surface du média. Le flux inverse de liquide propre (filtrat) à travers le média facilite l'élimination des solides et les chasse du filtre.

L'uniformité de la chute de pression au fil du temps pour des cycles répétés dans les opérations de filtration utilisant des supports métalliques frittés est illustrée à la figure 3.

Figure 3. Profil de pression pour plusieurs cycles utilisant un média Mott de grade 0.5

L'uniformité de la vitesse de montée en pression indique que la distribution granulométrique de la boue d'alimentation reste constante, tout comme sa concentration. La configuration du filtre inversé, utilisant un média filtrant à porosité uniforme, forme un gâteau uniforme sur la surface intérieure de l'élément filtrant, améliorant ainsi l'élimination des particules et l'efficacité du lavage à contre-courant. La pression de récupération après lavage à contre-courant augmente légèrement une fois le média conditionné, mais doit se situer entre 2 et 3 PSI de la perte de charge du flux propre. La perte de charge de récupération du média filtrant doit être stable pour des performances constantes. Des méthodes et procédures de lavage à contre-courant appropriées doivent être suivies pour un nettoyage efficace du média. Les variations de température du fluide affectent la viscosité et, par conséquent, la vitesse de montée en pression à travers le média ; par conséquent, les températures de fonctionnement nominales doivent être maintenues tout au long du processus de filtration.

Description et fonctionnement du système de filtration

Il existe deux méthodes de fonctionnement d'un filtre de l'intérieur vers l'extérieur : 1) la filtration statique ou à barrière ; 2) la filtration dynamique ou tangentielle. Les différences résident principalement dans la méthode de lavage à contre-courant ou de purge, et secondairement dans la méthode d'alimentation et de concentration. Dans la méthode statique ou à barrière, les solides se déposent sur la paroi du tube et le fluide la traverse sous forme de filtrat. L'écoulement du fluide est généralement perpendiculaire à la paroi de l'élément. La méthode dynamique ou tangentielle intègre un écoulement de solution circulant axialement à travers l'élément à une vitesse suffisante pour empêcher une accumulation significative de solides. Il en résulte une concentration du flux d'alimentation dilué à une teneur élevée en solides et une réduction des pertes de charge dues à l'écoulement à travers le gâteau de solides.

La filtration sur support métallique fritté utilise trois principaux types de configurations de filtration pour la filtration solide/liquide : 1) Filtration de l'extérieur vers l'intérieur : la séparation solide/liquide traditionnelle par barrière s'effectue sur le pourtour extérieur d'un élément filtrant tubulaire fermé. 2) Filtration de l'intérieur vers l'extérieur : la séparation solide/liquide par barrière s'effectue à l'intérieur d'un élément filtrant tubulaire fermé. 3) Filtration de l'intérieur vers l'extérieur (multimode) : la séparation solide/liquide (barrière ou tangentielle) s'effectue à l'intérieur d'un élément filtrant tubulaire ouvert. La filtration s'effectue avec une entrée d'alimentation par le haut ou par le bas à plusieurs options.

Les filtres inversés, comme illustré dans la figure 4, ont été développés par Mott Corporation en 1984 pour une myriade d'applications industrielles, notamment la récupération de catalyseurs.

Figure 4. Configuration du filtre barrière de l'intérieur vers l'extérieur

La filtration de l'intérieur vers l'extérieur est idéale pour les applications avec des solides à faible vitesse de sédimentation, afin de garantir leur transport vers l'élément. Un gâteau plus stable se forme à l'intérieur de l'élément, et chaque élément fonctionne indépendamment. La proximité des éléments permet d'obtenir des boîtiers plus petits et un volume de rétention de liquide réduit. Les solides peuvent être lavés et rétrolavés par rétrolavage des boues, rétrolavage au gaz à calandre vide ou évacuation du gâteau humide. Les caractéristiques des filtres de l'intérieur vers l'extérieur incluent :

• La configuration est plus efficace que la filtration de l'extérieur vers l'intérieur car il y a moins de talon, une perte minimale de filtrat et une évacuation plus facile des solides.
• Les éléments peuvent être sélectionnés en fonction de leur capacité de rétention de solides, optimisant ainsi la densité de remplissage.
• L'utilisation de la sortie de filtrat supérieure assure le dépôt du gâteau de filtration sur toute la longueur de l'élément.
• L'utilisation de la sortie de filtrat inférieure permet de déplacer le liquide filtré de la coque avec du gaz,
• augmentation du rendement du produit et production d'un lavage à contre-courant de boue à concentration plus élevée.

Le filtre multimode inversé, illustré à la figure 5, est similaire au filtre inversé, mais l'élément est ouvert aux deux extrémités et est scellé dans deux plaques tubulaires.

Figure 5. Configuration multimode inversée

Le filtre multimode inversé peut être utilisé comme filtre de polissage de solides légers, avec clarification liquide comme objectif, ou comme filtre à forte récupération de solides de catalyseur ou de solides produits. La configuration multimode à flux croisés peut fonctionner en continu, avec élimination latérale du concentrat, ou en discontinu, la recirculation étant interrompue une fois la concentration souhaitée atteinte. Une fois le lot filtré, le mode barrière permet d'évacuer les solides par contre-lavage de la boue ou par évacuation du gâteau humide. La déshydratation du gâteau à l'air, à la vapeur ou à un autre gaz permet de concentrer les solides à 40-50 %. Le contre-lavage est similaire au contre-lavage inversé inversé. Le système de décantation par choc permet de concentrer les solides sans vidanger l'élément filtrant ni le corps, optimisant ainsi le rendement du produit. Un système de réacteur en boucle continue peut ne pas nécessiter de contre-lavage. Les avantages des filtres multimodes inversés incluent :

• La configuration à alimentation par le haut est particulièrement avantageuse pour les solides de forte densité et à forte vitesse de sédimentation. La classification des solides peut s'effectuer par écoulement ascendant.
• Le filtre offre une élimination des solides à haute efficacité, un gâteau stable et d'excellentes capacités de lavage du gâteau.
• Le système peut fonctionner en mode barrière ou en mode cross-flow.
• Les filtres à cuve unique sont recommandés lorsque les débits le permettent et que le débit peut être arrêté pendant quelques minutes pour le lavage à contre-courant, ou si des périodes hors ligne peuvent être tolérées pour la maintenance.
• Des systèmes doubles à deux filtres sont recommandés lorsqu'un débit continu est requis et que de courtes périodes hors ligne peuvent être tolérées pour la maintenance.
• Trois systèmes de filtration sont recommandés pour un fonctionnement continu, même pendant les périodes de maintenance.

Test de faisabilité

Les propriétés de filtration dépendent des caractéristiques du média filtrant, de la surface disponible et des conditions de l'application. L'évaluation de la faisabilité en laboratoire constitue une base solide pour déterminer les spécifications de conception du filtre. Les essais pilotes garantissent que le filtre répond aux spécifications opérationnelles dans les conditions du procédé. Ces essais peuvent fournir les informations suivantes : vérification de la granulométrie, de la forme, de la concentration et des caractéristiques de filtration des particules solides. Les essais constituent le seul moyen valable d'évaluer la taille et les performances. Les informations obtenues lors des essais pilotes et de la faisabilité comprennent :

• Obtenir des données de dimensionnement pour la mise à l’échelle et vérifier les conditions de fonctionnement.
• Initier et former le personnel d’exploitation au fonctionnement du filtre.
• Défiez le filtre avec des variations dans les conditions du processus.
• Obtenez des informations opérationnelles à long terme pour la planification du nettoyage et de l’entretien.
• Évaluer l’effet d’une opération prolongée sur différents supports.
• Test de compatibilité des matériaux.

Étude de cas de filtre pilote : Performances du filtre à contre-courant Filtration des boues et de l'huile

Des études pilotes menées dans une raffinerie commerciale ont utilisé un filtre pilote automatisé de 10 gal/min (340 barils par jour) pour vérifier les performances opérationnelles du filtre et le choix du média filtrant lors d'essais menés pendant deux mois. Le filtre a été soumis à des cycles continus entre la filtration et le lavage à contre-courant, avec plus de 2 500 cycles effectués. Le liquide de lavage à contre-courant était du gazole de cycle intermédiaire. Des essais ont été réalisés pour maximiser le nombre de cycles pendant la période d'essai. Les performances du filtre avec différentes qualités de média filtrant sont résumées dans le tableau 2.

Tableau 2. Essais de filtration pilote utilisant des supports Mott de grades 0.5, 2 et 5.

Concentration d'alimentation, TSS, ppm	La taille des particules Portée, μm	Particule moyenne Taille, μm	Médiathèque Alliage	Filtrer, TSS, ppm	Opérateurs Flux, gpm/pi2
1000	N/D	<10	0.5	<20	N/D
750-1000	N/D	10-12	2	10	0.25
500-1000	1-30	20	2	10-15	0.1-0.5
1200	1-190	30	5	91	0.5
1500	1-190	30	0.5	10	0.34

La figure 6 montre un profil de pression uniforme comparant le taux d’augmentation de la chute de pression au fil du temps des milieux de grade 2 après 1, 4 et 30 jours.

Figure 6. Comparaison des profils de pression

La concentration en huile des boues variait de 500 à 1 000 ppm. La granulométrie moyenne était d'environ 20 μm. Le cycle de filtration durait environ 40 minutes avec des pressions terminales de 37 à 40 psi. La pression de récupération après lavage à contre-courant variait de 2 à 5 psi. La qualité du filtrat était inférieure à 25 ppm de matières en suspension totales (MES), la plupart des cycles étant inférieurs ou égaux à 10 ppm. L'augmentation de la concentration en solides raccourcit la durée du cycle, car la perte de charge s'accélère.

Cet effet peut être atténué en augmentant la perte de charge terminale du cycle. Si l'augmentation de la concentration en solides est due à l'ajout de grosses particules, la perméabilité du gâteau de solides peut augmenter, ce qui augmentera la capacité de charge en solides pour une même perte de charge.

Applications

Les supports métalliques frittés ont été utilisés dans de nombreuses applications de séparation au cours des 40 dernières années, comme en témoignent les exemples suivants. Les trois premiers cas utilisaient un système de triple filtration capable d'assurer une filtration continue. Le quatrième cas utilise le boîtier du filtre dans une boucle de recirculation autour du réacteur.

Cas 1

Ce procédé de filtration nécessitait un filtre robuste et lavable à contre-courant pour capturer les fines abrasives > 2 μm et réduire la demande chimique en oxygène (DCO) lors du polissage des résidus de cristallisation. Les solides étaient renvoyés vers un séparateur à cristaux pour une production zéro déchet et une contamination minimale des eaux usées. Le média poreux lavable à contre-courant s'est avéré économique, les cartouches filtrantes ayant fonctionné avec plusieurs lavages à contre-courant quotidiens pendant plus de six ans.

Cas 2

La technologie de filtration sur métal fritté offre une alternative aux centrifugeuses pour la récupération des catalyseurs usagés. La filtration a permis d'obtenir un filtrat de qualité inférieure à 1 ppm de matières en suspension et de laver à contre-courant les matières concentrées qui étaient ensuite envoyées hors site pour récupération. Ce système de filtration a fonctionné avec succès pendant plus de 7 ans, les économies réalisées grâce à la récupération des catalyseurs usagés ayant permis de rentabiliser le système de filtration en un peu plus d'un an.

Cas 3

Des systèmes de filtration d'huiles FCC (Flurry Oil Filtering) ont été installés dans les principales raffineries chinoises, avec des capacités allant de 100 à plus de 350 tonnes par jour. Depuis 1997, des supports métalliques poreux équipent plus de huit systèmes de filtration d'huiles FCC en Chine, la plupart étant équipés d'unités RFCC existantes. Une unité RFCC standard fonctionne à environ 350 °C et à 20 kg/cm², avec une concentration en solides catalytiques comprise entre 2 000 et 12 000 ppm. La qualité du filtrat est inférieure à 50 ppm, ce qui représente un rendement d'au moins 99.5 %. L'huile FCC propre est utilisée comme combustible propre et comme matière première pour la fabrication de divers cokes de pétrole de haute qualité et de noir de carbone. L'huile de boue FCC propre peut également être utilisée, après passage dans l'unité d'extraction par solvant aromatique, comme matière première pour divers procédés d'hydrocarbures, y compris le RFCC lui-même. Les applications de raffinage utilisent des systèmes de filtration double ou triple à l'envers pour éliminer les fines de catalyseur FCC de l'huile de boue. La figure 7 présente un schéma d'un système de filtration double.

Figure 7. Schéma du système automatisé à double filtre

Ces systèmes entièrement automatisés sont conçus pour gérer des débits élevés en fonctionnement continu. Des cycles plus longs ont été obtenus grâce au fonctionnement simultané de deux filtres, mais décalés, le troisième étant en veille lorsqu'un des filtres en ligne nécessite un rétrolavage. L'élimination des fines particules du catalyseur améliore non seulement la qualité du produit pétrolier, mais protège également les équipements en aval de l'encrassement et réduit leur maintenance.

Cas 4

La filtration a utilisé un filtre multimode dans une réaction d'isomérisation pour récupérer le catalyseur fin en suspension (0.5 à 100 μm) d'un réacteur à cuve agitée à flux continu (RCS). Cette technologie remplace plusieurs filtres à bougies, nécessitant le remplacement des chaussettes, ainsi que des filtres à cartouches secondaires pour maintenir un débit de produit constant. L'avantage du filtre multimode, fonctionnant en boucle de recirculation autour du réacteur, est la prolongation de la durée de vie du catalyseur grâce à la suppression des arrêts fréquents liés à l'utilisation de chaussettes et de cartouches filtrantes. La récupération du catalyseur et le rendement du produit ont augmenté. Le gâteau de filtration a été contrôlé par le taux de recirculation, tout en produisant un filtrat contenant moins de 0.01 ppm de matières en suspension totales.

Cas 5

Les supports métalliques frittés sont utilisés dans les systèmes de traitement des résines usagées pour le traitement des eaux usées récupérées lors de la purge de la résine et pour la réduction du volume des déchets radioactifs lors de l'élimination de la résine, des impuretés et des oxydes de fer. Ils ont démontré une excellente stabilité, même dans des conditions de perturbations volontaires, ce qui les rend parfaitement adaptés aux applications nucléaires. Les centrales électriques nécessitent de faibles fuites de résine (0.1 partie par milliard ou moins) pour prévenir la corrosion du générateur de vapeur ou du réacteur. À plein débit, les fuites de résine avec des supports métalliques frittés sont systématiquement inférieures à un dixième de partie par milliard.

Cas 6

Les médias de filtration en métal fritté sont utilisés dans les industries pétrochimiques et chimiques fines en aval. Des systèmes de filtration sont installés dans divers procédés d'acide téraphtalique purifié (PTA) afin d'améliorer le rendement et la qualité des produits, de récupérer des catalyseurs précieux et de réduire la charge des unités de traitement des déchets.

Résumé

Les médias en métal fritté sont bidirectionnels et offrent les mêmes performances qu'ils soient conçus de l'intérieur vers l'extérieur ou de l'extérieur. Réutilisables grâce à leur intégrité structurelle et à leur compatibilité chimique et thermique, ils constituent un filtre lavable et rétrorinçable, pouvant utiliser du filtrat, du gaz ou tout autre fluide compatible avec le procédé pour le lavage à contre-courant. La conception du corps de filtre permet d'optimiser les performances du filtre. La filtration de l'intérieur vers l'extérieur présente l'avantage d'une formation stable du gâteau, garantissant un filtrat constant et de haute qualité. Le déplacement de liquide à écoulement piston minimise la consommation de liquide lors du lavage du gâteau, et donc la quantité de liquide de lavage. La déshydratation du gâteau est possible grâce au déplacement de gaz du liquide accumulé dans l'élément filtrant et du côté propre du filtre. Globalement, cette technologie réduit la contamination des produits liquides par les solides et optimise leur récupération.

Écrit par le Dr Kenneth L. Rubow et Louise L. Stange

Hastelloy est une marque déposée de Hayes International, Inc.

Inconel et Monel sont des marques déposées d'International Nickel Co., Inc.

 

 

FAQ : Filtre en acier inoxydable fritté

Q : Qu’est-ce qu’un filtre en acier inoxydable fritté ?

R : Un filtre en acier inoxydable fritté est un type de dispositif de filtration fabriqué à partir de poudre d'acier inoxydable qui a été compactée et frittée pour créer une structure poreuse, offrant une efficacité de filtration élevée.

Q : Pourquoi choisir des filtres en acier inoxydable fritté pour les applications industrielles ?

R : Ces filtres sont très durables, résistants à la corrosion et aux températures élevées, ce qui les rend idéaux pour les environnements industriels exigeants où la fiabilité et la longévité sont essentielles.

Q : Les filtres en acier inoxydable fritté peuvent-ils être nettoyés et réutilisés ?

R : Oui, l’un des principaux avantages des filtres en acier inoxydable fritté est leur capacité à être nettoyés et réutilisés plusieurs fois, ce qui permet de réaliser des économies par rapport aux filtres jetables.

Q : Comment déterminer la bonne taille de pores pour un filtre en acier inoxydable fritté ?

R : La taille de pores appropriée dépend des exigences de l'application spécifique, notamment de la taille des particules à filtrer et du débit souhaité, garantissant des performances de filtration optimales.