Techniques de séparation particules

Ecole des Mines de Nantes
> Techniques séparatives
Jeudis de
l’Environnement
particules / gaz
Application aux particules fines,
9 décembre 2010
ultrafines et aux nanoparticules
Aurélie Joubert, Maitre-Assisante Associée
[email protected]
direction des études | juin 2009 | page 1
> Le monde des poussières
> Forces agissant sur les poussières
• Force de gravité
• Attraction moléculaire
Forces de cohésion
Forces d’adhésion (Van der Waals)
• Attraction électrique (ou répulsion)
Diamètre de l’objet
Forces de cohésion
/ Force de gravité
1 cm
1 mm
0,1 mm
1/50
1
50
sucre cristal
sucre glace
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 2
> Techniques de séparation
5 grandes techniques de séparation
> Chambre de sédimentation
> Séparateur centrifuge (cyclone)
> Dépoussiéreur humide
> Électrofiltre
> Filtration sur media fibreux
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 3
> Techniques de séparation
Le Coq, Techniques de
l’Ingénieur
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 4
> Techniques de séparation
Chambre de sédimentation
> Principe
Utilisation de la pesanteur comme moyen de séparation après
ralentissement du courant poussiéreux. Applicable aux particules
de plus de 50 à 100 µm de diamètre.
Ve vitesse d’entraînement = vitesse du gaz
résultante
Vc vitesse de chute
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 5
> Techniques de séparation
Chambre de sédimentation
L
entrée
sortie
du gaz
du gaz
H
Avantage
+
– structure très simple
Inconvénients
-
– encombrement
– faible efficacité pour
dp < 100 µm
•Technique de séparation non
adaptée aux particules
ultrafines
•Technique de prétraitement
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 6
> Techniques de séparation
Évolution des dépoussiéreurs
Amélioration de l’efficacité de dépôt d’une particule :
> Augmentation de la force active g
• Par une force centrifuge
• Par une force électrique
Électrofiltres
Dépoussiéreurs à chicanes
Séparateurs centrifuges (cyclones)
> Augmentation artificielle de dp
• Par capture dans des gouttelettes liquides
Dépoussiéreurs hydrauliques
Électrofiltres humides
• Par agglomération électrique ou sonique
Seuls les filtres à gaz fonctionnement d’après un principe différent
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 7
> Techniques de séparation
Séparateur centrifuge
> Principe
Les + grosses particules
sont projetées sur les
parois du cyclone par
accélération centrifuge.
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 8
> Techniques de séparation
Séparateur centrifuge
> Avantages - Inconvénients
Avantages
+
– structure simple
– faible coût
– hautes P et T
– faible encombrement
Inconvénient
-
– faible efficacité pour
dp < 5 µm
Technique de séparation non adaptée aux
particules ultrafines
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 9
> Techniques de séparation
Dépoussiéreur humide
> Principe
Deux mécanismes de capture des poussières :
• par impaction sur une paroi humide (colonne à plateaux, à
garnissage…)
• par collision (impaction) avec une dispersion de gouttelettes de
liquide injectées dans le gaz (Venturi, colonne à pulvérisation)
D : diamètre gouttelette
Efficacité augmente quand :
Vg : vitesse gouttelette
• D diminue (mais difficile à
générer et à séparer)
Vg
Vr : vitesse relative de la gouttelette
et de la particule Vr=Vg-Vp
Vp : vitesse particule = vitesse de
sédimentation Vs
• Vr augmente
Vp
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 10
> Techniques de séparation
Dépoussiéreur humide
> Venturi scrubber
> Tour de
pulvérisation
> Colonne à garnissage
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 11
> Techniques de séparation
Dépoussiéreur humide
> Avantages - Inconvénients
Avantage
+
Inconvénient
-
– absorption de
polluants gazeux
– faible efficacité pour
dp < 1 µm (Venturi)
•Technique de séparation non adaptée aux
particules ultrafines
•Technique employée pour absorption des gaz
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 12
> Techniques de séparation
Électrofiltre
> Principe
Les particules traversent un
champ électrique et se
chargent ; puis, elles sont
déviées par le champ et
recueillies sur les électrodes
de collecte.
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 13
> Techniques de séparation
Électrofiltre
> Tension négative – tension positive
Effet couronne
Ionisation du gaz par les
UV
Tension électrode centrale
-
+
Paroi
potentiel 0
potentiel 0
Electrode émissive
électrode centrale : cathode
paroi : cathode
Collecte des électrons
paroi : anode
électrode centrale : anode
Claquage
plus rapide
Intensité décharge
plus faible
Réactivité chimique
Plus de collision avec les
molécules
Plus faible ⇒ moins de
formation d’ozone
Taille industrielle
Qualité d’ambiance
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 14
> Techniques de séparation
Électrofiltre
> Électrofiltre à plaque
> Électrofiltre à
électrode en nid
d’abeille
> Électrofiltre
à deux
étages
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 15
> Techniques de séparation
Électrofiltre
> Avantages / Inconvénients
Avantages
+
Inconvénient
-
– efficacité de collecte importante
pour dp < 1 µm
– faible coût opératoire
– faible perte de charge (pas
d’encrassement)
– adapté aux aérosols polydispersés
et aux variations de charge
– inactivation des microorganismes
Résistivité optimale
des particules :
104 – 1011 Ω.cm
– efficacité de collecte dépend de la
résistivité électrique des particules (#
composition chimique et T)
Technique de séparation adaptée aux
particules fines
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 16
> Techniques de séparation
Électrofiltre
> Précipitateur électrostatique humide (WESP)
> Principe
Augmentation de l’humidité
du gaz afin d’augmenter par
adsorption la conductivité en
surface des particules.
> Utilisation
Particules avec une grande
résistivité
> Avantage
Elimination combinée de
composés gazeux (HCl, SO2,
HF…)
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 17
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Principe
L’air chargé de particules traverse le medium poreux. Les
particules sont capturées par le medium et le gaz épuré
traverse le medium.
Avantages
+
– grande efficacité de collecte
– pas de problème de corrosion
– efficacité de collecte
indépendante de la résistivité des
particules
Inconvénients
-
– important coût de maintenance
– encrassement (perte de charge)
– limitation de température (selon
media)
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 18
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Mécanismes de filtration
diffusion Brownienne
interception directe
effet tamis
impaction inertielle
forces électrostatiques
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 19
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Efficacité de collecte
Efficacité unitaire (fibre)
Diffusion Brownienne
dp<0,1 µm
Grandeur étudiée
Nombre de Peclet Pe =
d fVf
Nombre d’interception
R=
Interception directe
dp>0,1 µm
Impaction inertielle
dp>0,5 µm
df : diamètre des fibres
dp : diamètre des particules
Vf : vitesse de filtration
Ddiff
dp
df
2
Nombre de Stokes
St =
Cc ρ p d p V f
18μ g d f
µg : viscosité dynamique de l’air
Ddiff : coefficient de diffusion
Cc coefficient de Cunningham
ρp : masse volumique des particules
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 20
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Efficacité de collecte
Efficacité unitaire totale
(1 − η) = (1 − ηi )⋅ (1 − ηr ) ⋅ (1 − ηd )
Des modèles empiriques sont
disponibles dans la littérature
pour estimer ηi, ηr et ηd
ou
η = ηi + η r + η d
Efficacité totale pour une couche filtrante Z
⎛ 4⋅α⋅Z⋅η
E = 1 − exp⎜⎜ −
⎝ π ⋅ (1 − α ) ⋅ d f
⎞
⎟⎟
⎠
α : compacité du media
Z : épaisseur du media
df : diamètre des fibres
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 21
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Efficacité de collecte
Most Penetrating
Particle Size
(MPPS)
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 22
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Rebond thermique
Thomas et al., INRS-Hygiène
et sécurité du travail (2008)
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 23
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Media filtrants
Filtre
Matériel
non tissé en fibres de verre
Moyenne
efficacité
non tissé en fibres synthétiques (polyester)
mousse synthétique (polyuréthane, polyester)
100 µ m
Media non tissé
tissé en métal (acier inoxidable)
filtre en tissu (cellulose, fibres de verre)
Haute efficacité
non tissé en fibres de verre
non tissé en fibres synthétiques
HEPA et ULPA
non tissé en fibres de verre
1 mm
Media tissé
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 24
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
Pressure drop
> Colmatage des filtres
In-deph
filtration
Cake
filtration
Surface
area
reduction
Pleated filter
N Efficiency
Flat filter
Collected surface mass
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 25
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Efficacité des media filtrants
1 part. sur
100 traverse
le filtre
1 part. sur
106 traverse
le filtre
Thomas et al., INRS-Hygiène
et sécurité du travail (2008)
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 26
> Techniques de séparation
Filtration sur media fibreux
> Filtre à manches
> Panneau filtrant
> Filtre à poches
> Filtre à cartouche
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 27
> Comparaison des techniques
Type de séparateur
Mécanisme(s) de collecte
Surface de collecte
Chambres de sédimentation
Cyclones
Électrofiltres
Dépoussiéreurs humides
Media fibreux
Sédimentation
Force centrifuge
Force électrostatique
Inertie (principalement)
Diffusion, forces électrostatiques
Paroi non perméable
Paroi non perméable
Paroi non perméable
Gouttelettes
Fibres
Peukert and Wadenpohl, Powder
Tech. 118 (2001)
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 28
> Comparaison des efficacités
100
Efficiency (%)
90
HEPA filter
ESP
80
high efficiency venturi
granula bed
wet scrubber
70
high efficiency cyclone
cyclone
60
50
0,01
0,1
1
10
100
Particle diameter (µm)
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 29
> Comparaison media fibreux –
Électrofiltres
> Avantages des techniques
Électrofiltres
– faible perte de charge (pas
d’encrassement)
– faible coût opératoire
– inactivation des
microorganismes
Media fibreux
– grande efficacité de collecte
selon media pour particules
ultrafines
– efficacité de collecte
indépendante de la résistivité
des particules
– système compact
(cartouches)
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 30
> Quelle place pour la filtration dans
la maîtrise des risques ?
Filtration
Media filtrant, ESP
Protection des
travailleurs
Individuelle
Collective
→ port d’EPI
pour les voies
respiratoires
→ confinement
des émissions :
BAG, aspiration
à la source
Protection
de l’environnement
Traitement des
effluents gazeux
avant rejet :
réseau de
ventilation
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 31
> Techniques innovantes
Exemple : électrocyclones
> Principe :
Agglomération des particules par un champ électrique à l’aide d’une
électrode centrale placée dans le cyclone.
> Applications :
• Particules ultrafines et nanoparticules à forte conductivité
• Efficacité testée pour des particules primaires de suie de diesel de
10 – 30 nm → agrégats de plusieurs µm
• Inefficace pour fumée de silice
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 32
> Conclusions
> Techniques de séparation adaptées aux particules fines :
• média fibreux filtrants
• électrofiltres
> La filtration sur media fibreux est la technique la plus efficace
et la plus répandue pour les particules ultrafines et
nanoparticules
> Problématiques liées à l’efficacité de filtration :
• fuites au niveau des masques EPI ou filtres des réseaux de
ventilation
• bon captage à la source
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 33
Merci pour votre attention
Jeudis de l’Environnement
9 décembre 2010
École des Mines de Nantes
Aurélie Joubert, Maitre-Assisante Associée
[email protected]
Jeudis de l’Environnement | 9 décembre 2010 | page 34