Chapitre 3. Etude de l’influence des paramètres de gestion des CTA sur le développement
IV. Résultats et discussion
IV.3. Evolution de la perte de charge en fonction du temps
La perte de charge initiale (∆P0) des filtres prototypes étudiés est présentée dans le Tableau
3-8. Pour les filtres G4 placés en premier étage pour les essais T+1, T+1 bis et CF1, la ∆P0
est comprise entre 43 et 50 Pa. A titre de comparaison, pour les filtres industriels, la perte de charge (∆P) nominale donnée par le fabricant est de 60 Pa pour un débit de 3400 m3/h (vitesse débitante de 2,7 m/s, vitesse de filtration respectivement de 0,7 m/s et 0,1 m/s pour les filtres plissés G4 et à poches). Les filtres prototypes présentent donc une ∆P comparable à celle des filtres industriels. La ∆P finale de colmatage visée pour ces filtres est de 125 Pa, qui correspond à un demi de la ∆P maximale conseillée par le fabricant.
microbiens – Echelle du laboratoire
Tableau 3-8. Pertes de charges initiales des filtres étudiées pour un débit de 140 m3/h dans la mini CTA (vitesse débitante de 2,7 m/s).
Essai ∆P0 Filtre
G4 (Pa) ∆P0 Filtre F7 (Pa) Essai
∆P0 Filtre F7 (Pa) ∆P0 Filtre F9 (Pa) T + 1 50 113 T + 2 110 130 T + 1 bis 48 112 T + 2 bis 112 116 CF1 43 83 CF2 107 131
La ∆P0 pour les filtres prototypes F7, placés en premier et en deuxième étage, est comprise entre 83 et 113 Pa. Les deux poches des prototypes ont été ouvertes avant l’installation dans la mini CTA, car il a été trouvé pendant la validation aéraulique du banc, que l’ouverture des poches pouvait avoir une influence importante sur la ∆P initiale ainsi que sur le profil de l’écoulement. La ∆P nominale donnée par le fabricant est de 85 Pa pour les filtres de taille industrielle pour un débit de 3400 m3/h. Les filtres prototypes présentent des valeurs de ∆P comparables à celles des filtres industriels. La ∆P finale de colmatage visée pour ces filtres est de 225 Pa qui correspond à un demi de la ∆P maximale conseillée par le fabricant.
Pour les filtres F9 placés en deuxième étage, la ∆P0 est comprise entre 116 et 131 Pa. Ces prototypes présentent une ∆P légèrement plus importante par rapport aux filtres F7. La ∆P0 nominale donnée par le fabricant, pour cette référence des filtres est de 130 Pa pour un débit de 3400 m3/h. Cette différence entre filtres prototypes et industriels est plus importante.
Les valeurs du ratio ∆P/∆P0 sont présentées dans le Tableau 3-9, pour les filtres placés en premier étage à la fin de chaque étape de colmatage avec les particules et avec les aérosols microbiens (AM). L’évolution de la perte de charge normalisée par rapport à sa valeur initiale, (∆P/∆P0 ou dP/dP0), pour les filtres G4 placés en premier étage, est présentée sur la
Figure 3-22.
Tableau 3-9. Evolution de la perte de charge des filtres placés en premier étage avec les différents
aérosols Essai Filtre en premier étage ∆P/∆P0 visé ∆P/∆P0 après colmatage avec Al2O3 ∆P/∆P0 après colmatage avec le riz ∆P/∆P0 après contamination par les AM T + 1 G4 2,5 2,4 4,4 2,5 T + 1 bis G4 2,6 1,6 3,9 2,9 CF1 G4 2,9 1,8 4,6 3,6 T + 2 F7 2,0 1,9 2,1 1,6 T + 2 bis F7 2,0 1,2 1,5 1,4 CF2 F7 2,1 1,4 2,1 1,7
microbiens – Echelle du laboratoire 151 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 Δ P/ Δ P 0 ( -) Temps (min) T+1 T+1 bis CF1 Al2O3 Riz AM
Figure 3-22. Evolution de la perte de charge (∆P/∆P0) en fonction du temps, pour les filtres G4 en
premier étage.
Une augmentation rapide de la ΔP est évidente pour les trois essais, lors de la génération de riz micronisé. Un saut est observé lors du changement de particules de colmatage.
Ce changement de tendance d’évolution de la ΔP peut s’expliquer par l’effet combiné de :
la différence de nature et morphologie des deux types de particules par exemple en
termes de la sphéricité, la composition chimique, les charges électriques, etc.,
la granulométrie bimodale du riz micronisé qui présente un diamètre médian plus
important que celui de l’alumine, mais aussi elle met en évidence une fraction importante de particules fines au début de la génération, aux alentours de 0,3-0,6 µm.
A noter que le degré de colmatage et en conséquence la composition du gâteau des particules préalablement établi (matrice Al2O3 – riz – eau retenue) semblent participer au changement de
tendance de ΔP lors de la génération du riz. La rapidité d’évolution de ΔP pour l’essai T+1 est plus importante que pour les autres deux essais probablement du fait que ce filtre G4-T+1 était à un niveau de colmatage plus important. Cette réflexion suggère que le fait de changer de type de particules pour le colmatage des filtres, modifie les interactions entre les fibres, les particules d’alumine, l’eau retenue sur le filtre et les particules de riz qui viennent se collecter sur le gâteau.
Enfin, une diminution rapide de la ΔP est observée pour les trois essais lors de la génération des aérosols microbiens. Cette chute de la ∆P, peut s’expliquer par le fait de la génération
microbiens – Echelle du laboratoire
microbienne par nébulisation, ce qui fait augmenter l’humidité jusqu’à 80% comme indiqué dans le Tableau 3-5. Cette forte humidité peut provoquer un réarrangement du gâteau des particules retenues sur les filtres, ainsi qu’un phénomène de rétention d’eau par le gâteau et les fibres du filtre. Cet effet de l’humidité sur la perte de charge d’un filtre colmaté a été observé dans la littérature par Joubert (2009). L’effet de l’humidité relative sur la ΔP est légèrement atténué pour les essais T1+bis et CF1, où le colmatage préalable des filtres par les particules a été réalisé à humidité régulée (HRmoy = 43%).
L’objectif de colmater les filtres à ½ de la ΔP maximale conseillée par le fabricant, a été atteint pour l’essai T+1. Pour l’essai T+1bis la ΔP finale est légèrement au dessus de celle visée. Pour CF1, la ΔP finale est nettement au dessus de celle visée indiquant que ce filtre a un niveau de colmatage plus important. Il est possible d’observer certaine répétabilité entre les essais T+1 bis et CF1 concernant le colmatage par de particules d’alumine
L’évolution du ratio ∆P/∆P0 pour les filtres F7 placés en deuxième étage est présentée sur la
Figure 3-23. Il est possible d’observer que la ΔP des filtres F7 n’évolue pas
significativement.
Pour l’essai T+1, l’évolution de la ∆P est complètement négligeable, que ce soit pour les particules comme pour les aérosols microbiens. Pour les essais T+1bis et CF1 une légère augmentation de la ∆P est observée lors du colmatage avec les particules, pour atteindre un ratio ∆P/∆P0 de 1,1 et 1,2 respectivement. Lors de la génération de riz micronisé, la ΔP augmente progressivement mais il n’est pas observé une évolution rapide comme pour les filtres G4. La nébulisation des aérosols microbiens provoque, comme pour les filtres G4, une diminution rapide de la ∆P, pour atteindre un ratio de 1 et 1,1 pour les essais T+1 bis et CF1 respectivement. Cette chute de ΔP s’explique par la forte humidité présente dans le banc lors de la nébulisation des microorganismes. Ces filtres prototypes à poches présentent une variabilité entre eux concernant leur dynamique de colmatage, probablement par le fait d’avoir leurs poches plus ou moins ouvertes ou l’hétérogénéité du media.
microbiens – Echelle du laboratoire 153 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 0 100 200 300 400 Δ P /Δ P 0 (- ) Temps (min) T + 1 T + 1bis CF1 Al2O3 Riz AM
Figure 3-23. Evolution de la perte de charge (∆P/∆P0) en fonction du temps, pour les filtres F7 en
deuxième étage.
L’évolution de la ∆P pour les filtres F7 placés en premier étage est présentée sur la Figure
3-24. Pour les filtres colmatés avec l’alumine, une augmentation rapide de la ΔP est observée
lors de la génération de riz micronisé, comme pour les filtres G4. Il est observé que, plus le niveau de colmatage par les particules d’alumine est important, plus l’effet du riz est important sur l’évolution de la ΔP. Par exemple, pour l’essai T+2, le riz provoque un changement brusque de pente indiquant une augmentation rapide de la ΔP, probablement car le niveau de colmatage était important (ΔP/ΔP0 égal à 1,9 à la fin du colmatage avec l’alumine). Pour l’essai T+2bis, le riz ne provoque pas un changement marqué sur l’évolution de la ΔP probablement car le niveau de colmatage était moins important (ΔP/ΔP0 égal à 1,2 à la fin du colmatage avec l’alumine). La nébulisation des aérosols microbiens provoque une chute de la ΔP observée pour les trois essais, comme pour les filtres G4. L’objectif de colmater les filtres à ½ de la ΔP maximale, n’a pas été atteint du fait de la méconnaissance de l’évolution de la ΔP sur ce type des filtres et les effets combinés du changement des particules au cours de colmatage et de l’humidité relative. A noter, les durées de colmatage plus importantes par rapport à celles des essais de la configuration 1 de filtres. De même, à retenir que le filtre F7-CF2, présente un niveau de colmatage plus important que les autres filtres F7 en premier étage.
microbiens – Echelle du laboratoire 0,5 1 1,5 2 2,5 0 200 400 600 800 1000 Δ P/ Δ P 0 ( -) Temps (min) T + 2 T + 2 bis CF2 Al2O3 Riz AM
Figure 3-24. Evolution de la perte de charge (∆P/ΔP0) en fonction du temps, pour les filtres F7 en
premier étage.
Les filtres F9 placés en deuxième étage, sont très peu colmatés. Ils atteignent un ratio ∆P/∆P0 maximal de 1,05 lors de la génération de particules, et regagnent le ratio initial de 1, voire inférieur à 1, lors de la génération de microorganismes. Les variations de perte de charge que ces filtres peuvent présenter peuvent être notamment dues à la capacité de rétention d’eau du média.
Afin de simplifier la lecture des graphiques, ce code de symboles va être utilisé par la suite : pour les particules d’alumine, pour le riz micronisé et pour l’aérosol microbien.