La production de l’industrie pharmaceutique et chimique génère régulièrement des poussières. Comme cela n’est pas souhaitable, des mesures doivent être prises pour empêcher l’apparition de ces poussières. Une possibilité consiste à utiliser des installations de filtrage, appelées dépoussiéreurs. Dans ces installations, la poussière est séparée de l’air et collectée.
Pour ce faire, les installations de filtration sont équipées d’éléments filtrants dans lesquels les poussières s’accrochent et sont empêchées d’être transportées par l’air. Il existe différents types de filtres ainsi que différents matériaux qui peuvent composer les filtres.
Ci-dessous, nous expliquons comment fonctionne le principe de la filtration afin de comprendre ce qui est important dans le choix des matériaux.
Critères influençant le choix du filtre
Le choix du nombre, du type et des matériaux des éléments filtrants – également appelés cellules filtrantes – dépend de la nature de la substance à filtrer ainsi que des conditions dans lesquelles la filtration a lieu. Les conditions suivantes doivent être respectées :
- Débit volumétrique [m3/h] :
Le débit volumétrique décrit la quantité d’air qui doit être filtrée par heure. Comme l’élément filtrant est ici limité par sa construction, il faut augmenter le nombre d’éléments filtrants lorsque le débit augmente.
- Composition du fluide :
Souvent, les applications sont de l’air chargé de particules. D’autres gaz et poussières peuvent également être présents dans le milieu. La composition du fluide qui traverse le filtre détermine le choix des matériaux du filtre, car les substances doivent être compatibles entre elles et ne pas réagir afin d’exclure tout autre danger.
- Température de l’air [°C] :
La température de l’air qui traverse les cellules filtrantes – tout comme sa composition – détermine les matériaux des filtres. En cas de température plus élevée, il faut utiliser un matériau résistant à la chaleur en conséquence, afin d’éviter une usure prématurée ou même la destruction de la cellule filtrante.
- Charge en poussière de l’air [mg/m3] :
La charge en poussière indique la quantité de poussière ou de particules présentes dans l’air à filtrer. Cette quantité détermine le type de filtre. Un élément filtrant ne dispose que d’une certaine durée de vie, c’est-à-dire d’une capacité d’absorption de la poussière jusqu’à ce qu’il soit colmaté. Plus il y a de particules dans l’air, plus le filtre se colmate rapidement, sa limite d’utilisation est atteinte. Selon le type de filtre, il peut être soit nettoyé et donc à nouveau utilisable, soit – si ce n’est pas possible – remplacé.
- Exigences issues du processus :
Les questions suivantes se posent à partir du processus :
– Que doit-on faire de la substance séparée ?
– Doit-elle être simplement séparée ou réutilisée ?
– Comment l’installation de filtration doit-elle être exploitée ? Des temps d’arrêt sont-ils possibles pour des activités de service dans le processus
ou l’installation de filtration doit-elle fonctionner en continu ?
– Y a-t-il des réglementations à respecter en raison des applications, par exemple ATEX ?
– Y a-t-il des exigences concernant le confinement ?
Les réponses sont importantes pour le choix des éléments filtrants, car elles déterminent la capacité de décolmatage ainsi que le nombre de filtres ou le type de réalisation.
- Si les substances doivent être recyclées, la cellule filtrante doit pouvoir être nettoyée. Si elle ne l’est pas, la substance reste dans le média filtrant et est éliminée en même temps que la cellule filtrante.
- Si l’installation de filtration doit être utilisée en continu, il faut prévoir des filtres supplémentaires afin que le débit volumétrique puisse se répartir en conséquence pendant le décolmatage (pendant le décolmatage, la filtration n’est pas possible sur le filtre, c’est pourquoi le débit volumétrique est réparti sur les autres filtres).
- En présence d’une atmosphère explosive et d’un risque d’explosion, la cellule filtrante et ses composants doivent être mis à la terre afin d’éviter les effets électrostatiques.
- S’il existe des exigences en matière de pureté de l’air, il faut tenir compte des groupes de filtres correspondant aux classes de filtration.
Structure et fonctionnement d’une cellule filtrante
Pour mieux comprendre l’influence de ces critères, il faut connaître le principe de fonctionnement des éléments filtrants.
La poussière, ou plutôt les diverses particules qu’elle contient, possèdent des propriétés différentes qui sont déterminantes pour l’efficacité de la filtration.
Outre ces caractéristiques de la poussière en soi – la poussière collante, par exemple, provoque un colmatage plus rapide du média filtrant, alors que la poussière coulante est très facile à filtrer – il faut également considérer la nature de chaque particule et de la cellule filtrante.
Structure de la cellule filtrante
- Média filtrant
- Entretoise
- Masse de scellement
- Joint d’étanchéité
- Cadre métallique
Effets de la filtration
Pour expliquer le principe de la filtration – c’est-à-dire la séparation mécanique de substances à partir de gaz – il faut passer de la cellule filtrante dans son ensemble à la fibre filtrante en particulier : c’est là qu’agissent, à petite échelle, des effets physiques qui sont importants pour le résultat à grande échelle.
Les particules qui traversent la cellule filtrante suivent le flux d’air. La taille et la nature de ces particules déterminent ce qui se passe à l’intérieur de la cellule filtrante – au niveau des fibres filtrantes.
Effet d’inertie :
une particule de grande masse est relativement inerte. Lorsque l’air passe devant la fibre du filtre, cette particule ne peut pas la suivre, la heurte et reste collée.
Diffusion
une particule de très petite taille s’écoule certes avec le flux d’air, mais ne suit pas les lignes de courant, elle s’en écarte. Au cours de ces mouvements, il peut rencontrer une fibre ou d’autres particules et y rester collé. La cause de ce comportement diffus est à chercher dans les mouvements moléculaires browniens.
Effet de blocage :
une particule de grande taillesuit le flux d’air sur les lignes de courant, mais elle est trop grande pour éviter les fibres du filtre. Lors du passage de l’air, il rencontre la fibre du filtre en raison de ses dimensions et y reste collé.
Attraction électrostatique
(forces de Van der Waals) :
En raison des mouvements et des frottements associés des particules, celles-ci peuvent se charger électrostatiquement, de même que la fibre du filtre. Si la charge est respectivement opposée, la particule est attirée par la fibre du filtre et y reste collée.
Ces effets font que les particules de l’air sont retenues dans le milieu de la cellule filtrante. Le degré d’efficacité, également appelé degré de séparation, indique à quel point cela fonctionne. Celui-ci indique combien de particules restent dans la cellule filtrante ou combien de particules se trouvent encore dans l’air évacué après avoir traversé la cellule filtrante. Le degré de séparation est indiqué en pourcentage (nombre de particules séparées par rapport aux particules entrantes).
L’influence des différents effets sur le taux de séparation est illustrée par le diagramme suivant :
- Diffusion A Taux d’élimination [%]
- Effet barrière PM Taille des particules [µm]
- Effet d’inertie des particules MPPS 0,1-0,3 µm -> minimum de filtration
Comme l’air contient des particules de tailles et de propriétés très diverses, les effets mentionnés ci-dessus se manifestent de manière différente. Les plus petites particules sont séparées en raison de la diffusion. Les particules plus grosses restent dans le média filtrant en raison de l’effet d’inertie ou de l’effet de barrière. Entre les deux, il y a une superposition d’effets qui ont une influence sur le degré de séparation de la cellule filtrante.
Dans le diagramme donné en exemple, il apparaît clairement qu’il existe un minimum de filtration pour une taille de particules donnée. Ce point bas est appelé « MPPS = Most Penetration Particle Size ». Cette plage correspond à une taille de particules comprise entre 0,1 µm et 0,3 µm et englobe l’efficacité de filtration des particules dont l’expérience montre qu’elles sont les plus difficiles à filtrer. La classification de la cellule filtrante se fait sur la base du degré de séparation à cet endroit. La répartition en différents niveaux ou classes sur la base de différentes normes permet de décrire la cellule filtrante en conséquence, de manière à pouvoir la confronter aux exigences de confinement du processus.
Conclusion
Lors de la planification et de la conception des installations de filtration et surtout des éléments filtrants, la connaissance des conditions prédominantes ainsi que des propriétés des poussières produites joue un rôle très important. Il en résulte les exigences auxquelles doit répondre une cellule filtrante à l’intérieur de l’installation de filtrage pour produire de l’air vicié de la qualité souhaitée. Grâce à ces connaissances, il est possible de déterminer la cellule filtrante qui convient le mieux au processus parmi les nombreuses cellules filtrantes disponibles. Un entretien avec les ingénieurs des fabricants est ici d’une importance élémentaire, car c’est là que se trouve le savoir-faire pour la conception et le choix des bons composants.
