Filtres

Les filtres retiennent les débris de tuyauterie tels que le tartre, la rouille, les composés de joint et le métal de soudure dans les tuyauteries, protégeant les équipements et les processus. Ce tutoriel examine la gamme de types de filtres et tamis utilisés et comment les dimensionner et sélectionner pour différentes applications.

Filtres

À mesure que le marché devient de plus en plus concurrentiel, plus d’accent a été mis sur la réduction des temps d’arrêt et de maintenance des installations. Dans les systèmes vapeur et condensat, les dommages aux installations sont fréquemment causés par les débris de tuyauterie tels que le tartre, la rouille, les composés de joint, le métal de soudure et d’autres solides, qui peuvent trouver leur chemin dans le système de tuyauterie. Les filtres sont des dispositifs qui retiennent ces solides dans les liquides ou gaz en circulation et protègent les équipements de leurs effets néfastes, réduisant ainsi les temps d’arrêt et la maintenance. Un filtre doit être installé en amont de chaque purgeur de vapeur, débitmètre et vanne de régulation. Les filtres peuvent être classés en deux types principaux selon la configuration de leur corps ; à savoir le type Y et le type panier. Des exemples typiques de ces types de filtres peuvent être vus à la Figure 12.4.1.

Filtres type Y

Pour la vapeur, un filtre type Y est la norme habituelle et est presque universellement utilisé. Son corps a une forme cylindrique compacte qui est très robuste et peut supporter des pressions élevées. C’est littéralement un récipient sous pression, et il n’est pas rare que les filtres type Y puissent supporter des pressions allant jusqu’à 400 bar g. L’utilisation de filtres à ces pressions est cependant compliquée par les hautes températures associées à la vapeur à cette pression ; et par conséquent des matériaux exotiques tels que l’acier chrome-molybdène doivent être utilisés. Bien qu’il y ait des exceptions, à taille égale, les filtres type Y ont une capacité de rétention de saleté inférieure à celle des filtres type panier, ce qui signifie qu’ils nécessitent un nettoyage plus fréquent. Sur les systèmes vapeur, ce n’est généralement pas un problème, sauf lorsque des niveaux élevés de rouille sont présents, ou immédiatement après la mise en service lorsque de grandes quantités de débris peuvent être introduites. Sur les applications où des quantités significatives de débris sont attendues, une vanne de blowdown peut généralement être installée dans le couvercle du filtre, ce qui permet au filtre d’utiliser la pression de la vapeur pour être nettoyé, et sans avoir à arrêter l’installation. Les filtres type Y dans les lignes vapeur ou gaz horizontales doivent être installés de sorte que le collecteur soit dans le plan horizontal (Figure 12.4.2(a)). Cela empêche l’eau de s’accumuler dans le collecteur, aidant à prévenir l’entraînement de gouttelettes d’eau, qui peuvent provoquer l’érosion et affecter les processus de transfert de chaleur. Sur les systèmes liquides cependant, le collecteur doit pointer verticalement vers le bas (Figure 12.4.2(b)), cela garantit que les débris retirés ne sont pas réaspirés dans la tuyauterie amont pendant les conditions de faible débit. Bien qu’il soit conseillé d’installer les filtres dans des lignes horizontales, ce n’est pas toujours possible, et ils peuvent être installés dans des tuyauteries verticales si l’écoulement est vers le bas, auquel cas les débris sont naturellement dirigés vers le collecteur (Figure 12.4.2(c)). L’installation n’est pas possible avec un écoulement ascendant, car le filtre devrait être installé avec l’ouverture du collecteur pointant vers le bas et les débris retomberaient dans le tuyau.

Filtres droit et en angle

En plus des filtres type Y, plusieurs configurations de corps différentes sont utilisées dans les systèmes vapeur, à savoir les filtres droit et en angle. Ceux-ci sont illustrés à la Figure 12.4.3. Ces types de filtre fonctionnent de manière similaire au filtre type Y et ont des performances similaires. Ils sont utilisés lorsque la géométrie de la tuyauterie vapeur ne convient pas à l’utilisation d’un filtre type Y.

Filtres type panier

Le filtre type panier ou pot est caractérisé par une chambre orientée verticalement, typiquement plus grande que celle d’un filtre type Y. À taille égale, la perte de charge à travers un filtre panier est inférieure à celle du type Y car il a une plus grande surface de filtration libre, ce qui fait du filtre type panier le type préféré pour les applications liquides. Comme la capacité de rétention de saleté est également supérieure à celle des filtres type Y, le filtre type panier est également utilisé sur les tuyauteries vapeur de plus grand diamètre. Les filtres type panier ne peuvent être installés que dans des tuyauteries horizontales, et pour les filtres panier plus grands et plus lourds, la base du filtre doit être supportée. Lorsque les filtres type panier sont utilisés sur les systèmes vapeur, une quantité significative de condensat peut se former. Par conséquent, les filtres conçus pour une utilisation dans les systèmes vapeur ont généralement un bouchon de drainage, qui peut être équipé d’un purgeur de vapeur pour éliminer le condensat. Les filtres type panier sont couramment trouvés en disposition duplex. Un deuxième filtre est placé en parallèle avec le filtre primaire, et le débit peut être détourné à travers l’un ou l’autre des deux filtres. Cela facilite le nettoyage de l’unité de filtration pendant que le système de fluide fonctionne encore, réduisant les temps d’arrêt pour la maintenance.

Filtres à éléments

Bien que les filtres éliminent toutes les particules visibles dans la vapeur, il est parfois nécessaire d’éliminer des particules plus petites, par exemple dans les applications suivantes :

• Lorsqu’il y a injection directe de vapeur dans un processus, ce qui peut provoquer la contamination du produit. Exemple : Dans l’industrie alimentaire, et pour la stérilisation des équipements de processus dans l’industrie pharmaceutique.
• Lorsque la vapeur sale peut provoquer le rejet d’un produit ou d’un lot de processus en raison de taches ou de rétention de particules visibles. Exemple : Stérilisatrices et machines à papier/carton.
• Lorsqu’une émission minimale de particules est requise des humidificateurs à vapeur. Exemple : Humidificateurs utilisés dans un environnement « propre ».
• Pour la réduction de la teneur en eau de la vapeur, garantissant une alimentation sèche et saturée. Dans de telles applications de « vapeur propre », les filtres ne conviennent pas et des filtres à éléments doivent être utilisés. Un filtre utilisé dans un système vapeur se compose typiquement d’un élément filtrant en acier inoxydable fritté. Le processus de frittage produit une structure poreuse fine dans l’acier inoxydable, qui élimine les particules du fluide le traversant. Des filtres capables d’éliminer des particules aussi petites que 1 μm sont disponibles, conformes aux besoins de bonne pratique de la vapeur culinaire.

La nature fine et poreuse de l’élément filtrant créera une perte de charge plus importante à travers le filtre que celle associée à un filtre de même taille ; cela doit être soigneusement pris en compte lors du dimensionnement de tels filtres. De plus, les filtres à éléments sont facilement endommagés par des débits excessifs, et les limites spécifiées par le fabricant ne doivent pas être dépassées.

Lorsque le filtre est utilisé dans des applications vapeur ou gaz, un séparateur doit être installé en amont du filtre pour éliminer les gouttelettes de condensat en suspension. En plus d’améliorer la qualité de la vapeur, cela prolongera la durée de vie du filtre. Un filtre type Y doit également être installé en amont du filtre pour éliminer toutes les particules plus grandes qui autrement bloqueraient rapidement le filtre, augmenteraient la quantité de nettoyage requise et réduiraient la durée de vie de l’élément filtrant. En installant des manomètres de chaque côté du filtre, la perte de charge à travers le filtre peut être mesurée, ce qui peut ensuite être utilisé pour identifier quand le filtre nécessite un nettoyage. Une alternative à cela est d’installer un pressostat sur le côté aval du filtre. Lorsque la pression aval diminue en dessous d’un niveau défini, une lumière d’alarme peut être allumée dans une salle de contrôle alertant un opérateur, qui peut alors nettoyer le filtre.

Tamis de filtres

Il existe deux types de tamis utilisés dans les filtres :

• Tamis perforés - Ceux-ci sont formés en poinçonnant un grand nombre de trous dans une feuille plate du matériau requis à l’aide d’un poinçon multiple. La feuille perforée est ensuite roulée en tube et soudée par points. Ce sont des tamis relativement grossiers et les tailles de trous varient typiquement de 0,8 mm à 3,2 mm. Par conséquent, les tamis perforés ne conviennent que pour l’élimination des débris de tuyauterie généraux.
• Tamis maillés - Un fil fin est formé en un arrangement de grille ou de maille. Celui-ci est ensuite couramment superposé à un tamis perforé, qui agit comme une cage de support pour le maille. En utilisant un tamis maillé, il est possible de produire des tailles de trous beaucoup plus petites qu’avec des tamis perforés. Des tailles de trous aussi petites que 0,07 mm sont réalisables. Par conséquent, ils sont utilisés pour éliminer les particules plus petites qui autrement passeraient à travers un tamis perforé. Les tamis maillés sont généralement spécifiés en termes de « mesh » (maille) ; qui représente le nombre d’ouvertures par pouce linéaire de tamis, mesuré à partir de l’axe central du fil. La Figure 12.4.6 montre un tamis de 3 mesh.

La taille de trou correspondante dans le tamis maillé est déterminée à partir de la connaissance du diamètre du fil et de la taille du maillage ; elle est généralement spécifiée par le fabricant. La taille maximale des particules qui seront autorisées à passer à travers le tamis peut être déterminée en utilisant la géométrie. Si, par exemple, un tamis de 200 mesh est spécifié et que les spécifications du fabricant indiquent que la taille de trou est de 0,076 mm, alors la taille maximale des particules qui passeront à travers le tamis peut être trouvée en utilisant le théorème de Pythagore :

Le problème avec cette dimension est que les tamis sont bidimensionnels et la particule doit atteindre le trou dans une certaine orientation. Par conséquent, si une particule longue et fine atteint le filtre « de face », elle peut être autorisée à passer à travers le tamis. Cependant, si elle touche le trou « de côté », elle serait arrêtée. Si cela risque d’être un problème, un maillage plus fin devrait être utilisé.

La surface de filtration est la surface disponible pour l’élimination des débris. Une plus grande surface de filtration signifie que la fréquence de blowdown pour le nettoyage du tamis est considérablement réduite. La surface libre est la proportion de la surface totale des trous par rapport à la surface de filtration totale, généralement exprimée en pourcentage. Cela affecte directement la capacité d’écoulement du filtre. Plus la surface libre est grande (et plus le tamis est grossier), plus la capacité d’écoulement est élevée et finalement plus la perte de charge à travers le filtre est faible. Comme la plupart des tamis de filtres ont des surfaces de filtration et libres très grandes, la perte de charge à travers le filtre est très faible lorsqu’elle est utilisée sur des systèmes vapeur ou gaz (voir Exemple 12.4.1). Cependant, dans les systèmes d’eau pompée ou de fluides visqueux, la perte de charge peut être significative. Les filtres doivent avoir des capacités d’écoulement indiquées en termes d’indice de capacité ou de valeur Kvs.

Exemple 12.4.1

Un filtre DN40 avec une valeur Kvs de 29 est installé sur un système de tuyauterie vapeur de 40 mm de diamètre, qui passe 500 kg/h de vapeur saturée à 8 bar g. Quelle est la perte de charge à travers le filtre ? En utilisant la formule empirique dans l’Équation 3.21.2 :

Cela équivaut à une perte de charge d’un peu plus de 0,5%.

La perte de charge à travers un filtre peut être déterminée soit à partir de la valeur Kv, soit à partir d’un diagramme de perte de charge. La méthode pour ce faire pour le débit de vapeur est présentée dans le Module 12.2, et pour le débit d’eau dans le Module 6.3. Les tamis sont généralement disponibles dans un certain nombre de matériaux différents ; les aciers inoxydables austénitiques sont les plus couramment utilisés dans les applications vapeur, en raison de leur résistance et de leur résistance à la corrosion. Lorsque le filtre est utilisé avec des produits chimiques spécialisés ou dans des applications offshore, un tamis en monel doit être utilisé.

Options de filtres

En plus des filtres standard, il existe plusieurs autres options disponibles.

Inserts magnétiques

Un insert magnétique peut être placé dans un filtre type panier afin d’éliminer les petits débris de fer ou d’acier. De petites particules de fer ou d’acier peuvent être présentes dans un fluide là où il y a usure de pièces en fer ou en acier. Ces particules passeront même à travers les tamis maillés les plus fins, et il est nécessaire d’utiliser un insert magnétique. L’insert est conçu pour que tout le fluide passe sur l’aimant à une vitesse relativement faible et l’élément magnétique est suffisamment puissant pour capturer et retenir toutes les particules métalliques présentes. Le matériau magnétique est généralement enfermé dans un matériau inerte tel que l’acier inoxydable pour prévenir la corrosion.

Filtres autonettoyants

Il existe un certain nombre de types différents de filtres autonettoyants, qui permettent l’élimination de l’accumulation de débris sur le tamis sans arrêter l’installation. Le processus de nettoyage peut être déclenché soit manuellement soit automatiquement ; de plus, les filtres nettoyés automatiquement peuvent généralement être réglés pour se nettoyer soit sur une base périodique, soit lorsque la perte de charge à travers le filtre augmente.

• Filtres autonettoyants de type mécanique - utilisent une forme de grattoir mécanique ou de brosse, qui est raclé sur la surface du tamis. Il déloge les débris piégés dans le tamis, les faisant tomber dans une zone de collecte au fond du filtre.
• Filtres de type contre-lavage - inversent la direction de l’écoulement à travers le tamis. Un ensemble de vannes est commuté pour que l’eau soit dirigée à travers le tamis dans la direction inverse et sorte par une vanne de rinçage. Le fluide déloge les débris entraînés dans le tamis et les emporte dans le fluide de contre-lavage vers une évacuation des eaux usées. En plus des filtres mécaniques et de type contre-lavage, il existe plusieurs types de tamis de filtres de conception unique. L’un des types les plus courants est le filtre à disques métalliques à bord positif (voir Figure 12.4.8). L’élément filtrant est construit à partir d’un empilement de disques circulaires, séparés par des rondelles d’espacement construites sur un arbre principal avec des tirants. L’épaisseur des rondelles ou des pièces d’espacement donne le degré de filtration requis. La direction d’écoulement du fluide filtré va de l’extérieur de l’élément vers le noyau creux, qui est formé par les espaces entre les disques principaux. Cela signifie que les débris sont retenus sur la surface extérieure des disques. Afin de nettoyer le filtre, l’ensemble complet du filtre est fait tourner par la poignée externe contre un ensemble de couteaux de nettoyage fixes intercalés avec l’ensemble principal. Pendant cette rotation, les débris accumulés s’accumulent sur le bord d’attaque du couteau de nettoyage, et ils sont déposés dans une rainure verticale solide formée dans la surface extérieure de l’élément filtrant par des pièces de garnissage spéciales. Comme il n’y a pas d’écoulement à travers cette partie de l’élément, il n’y a pas de force maintenant la saleté accumulée contre l’élément, et elle tombe dans la cuvette au fond du filtre.

Filtres temporaires

Les filtres temporaires sont conçus pour la protection des équipements et de l’instrumentation pendant les périodes de démarrage. Le filtre est généralement installé entre une paire de brides pendant une période initiale après l’installation d’une nouvelle installation. L’installation d’un manchon d’une longueur égale ou supérieure à celle du filtre est recommandée pour faciliter l’installation ou le retrait. Il existe trois configurations de base de filtres temporaires, à savoir le type conique, le type panier et le type plat. La construction standard est en tamis perforé ou en maille métallique simple épaisseur. Des revêtements en maille métallique peuvent être ajoutés à l’intérieur ou à l’extérieur du filtre pour des capacités de filtration plus fines. Si un maillage métallique est utilisé, il faut veiller à s’assurer que la direction de l’écoulement est contre le maillage métallique avec le métal perforé en renfort.