Considérations de filtration pour les installations CPI

1 juin 2023 | Par Ulrich Latz et Wim Callaert

De nombreux facteurs sont pris en compte lors de la conception d'un système de filtration, notamment des considérations techniques, logistiques et de sécurité

La filtration est une étape essentielle dans la production et la transformation de nombreux matériaux dans les industries de procédés chimiques (IPC). Au-delà de l'efficacité de la solution de filtration elle-même, il existe d'autres complexités que les opérateurs d'installations de génie chimique doivent comprendre (Figure 1). Cet article examine certains des facteurs moins connus qui font de la filtration appropriée dans les applications de fabrication et de traitement de produits chimiques un défi à multiples facettes, mais qui peut être résolu avec les bonnes technologies de filtration.

FIGURE 1. La conception et l'entretien appropriés des systèmes de filtration dans les opérations de fabrication et de traitement des produits chimiques sont essentiels. Il en va de même pour l'utilisation de produits de qualité, l'attention portée à la sécurité de l'opérateur et le fait de savoir quand s'appuyer sur des experts pour obtenir de l'aide.

Chaque processus chimique présente des considérations uniques pour la filtration, où la présence de contaminants peut interférer avec des réactions sensibles, entraînant une diminution de la qualité du produit de sortie souhaité. L'élimination des particules pour les matières premières et la circulation des fluides auxiliaires sont essentielles, car les impuretés peuvent également corroder et endommager les surfaces internes des équipements de traitement, entraînant une maintenance coûteuse.

Les impuretés menacent gravement les performances opérationnelles dans les processus chimiques interconnectés, car les inefficacités dans un domaine peuvent rapidement se propager à d'autres. L'installation de solutions de filtration appropriées aux points clés du processus permet de réduire ces risques et de limiter les dépenses tout en améliorant la qualité du produit final.

Qu'il s'agisse de purifier les matières premières, de filtrer les fluides de traitement pour les réutiliser ou pour la purification finale, les installations chimiques s'appuient sur de nombreux types de systèmes de filtration pour accomplir la séparation souhaitée. Bien que la conception et le fonctionnement de ces systèmes puissent varier considérablement, il existe des considérations communes à tous les systèmes de filtration qu'il est important de comprendre, comme indiqué dans les sections suivantes.

Bien que les systèmes de filtration s'efforcent tous d'atteindre le même objectif, des matériaux de qualité sont indispensables pour garantir les meilleurs résultats (Figure 2).

FIGURE 2. Les filtres industriels doivent être fabriqués à partir de matériaux qui répondent aux exigences strictes de sécurité, d'hygiène et de qualité pour les industries telles que les peintures et les revêtements, et les produits chimiques spécialisés

Les filtres sont généralement fabriqués à partir de divers plastiques, polymères et fibres contenant différents additifs et tensioactifs. Pour le secteur des peintures et revêtements automobiles en particulier, les produits de filtration doivent être exempts de silicone, y compris les matériaux de construction et l'ensemble du processus de production. "Sans silicone" peut signifier différentes choses pour différents utilisateurs ; cependant, qu'il s'agisse d'un sac filtrant ou d'une cartouche filtrante, le produit ne doit pas contenir de silicone ou diverses autres substances formant des cratères. En volumes suffisants, ces impuretés peuvent faire « cratérer » les finitions du contaminant, ou elles peuvent entraîner une perte d'adhérence des peintures et des revêtements.

La diffusion potentielle de substances lixiviables dans les processus chimiques est la raison pour laquelle il est essentiel de s'assurer que les médias filtrants sont exempts d'impuretés. Les exploitants d'installations doivent rechercher une assurance auprès de leurs fournisseurs, qui peuvent, à leur tour, offrir une traçabilité complète des produits de filtration, y compris les numéros de lot et les sources des fournisseurs. De plus, tous les produits doivent présenter une qualité constante à l'échelle mondiale, où la conception et les matériaux des produits ne vacillent pas en termes de performances, de sécurité ou de fiabilité, quel que soit l'endroit où ils sont fabriqués.

Les filtres dotés de capacités d'adsorption d'huile peuvent en outre offrir une solution aux fabricants de peinture qui doivent s'assurer que les lots restent adaptés à l'utilisation du client final. Les plastiques purs non lubrifiés, tels que le polypropylène, présentent des caractéristiques oléophiles et hydrophobes qui attirent les huiles à leur surface tout en repoussant les particules d'eau. Ces filtres sont couramment utilisés dans les bains de peinture de l'industrie automobile, soit comme remède, soit comme mesure préventive.

Dans de nombreuses installations CPI, les opérateurs du système doivent porter un équipement de protection, y compris des masques, pour remplacer les médias filtrants consommables sales, tels que les sacs filtrants et les cartouches filtrantes. Il est important de limiter les intervalles de maintenance à ces points au strict minimum, car des composés organiques volatils (COV) peuvent être libérés lors de l'ouverture des unités de filtration pour changer les consommables. Les COV peuvent être d'origine naturelle ou synthétisés, mais ont tendance à avoir des pressions de vapeur relatives élevées, ce qui signifie qu'ils s'évaporent facilement lorsqu'ils sont exposés à l'air.

Les besoins de maintenance dépendront largement du type et de la capacité de l'équipement de filtration sélectionné. Les systèmes de filtration doivent être conçus et dimensionnés de manière adéquate pour fonctionner pendant de longs intervalles entre les vidanges. Souvent, l'objectif est de passer des semaines voire des mois entre les changements de médias filtrants consommables. Cela permet de limiter le risque d'introduction de solvants industriels dans l'environnement de production à chaque fois qu'une unité doit être entretenue.

Il est conseillé aux exploitants d'installations de consulter un expert en filtration industrielle pour connaître les options de systèmes à grande capacité ou, dans d'autres cas, les systèmes d'auto-nettoyage automatique (Figure 3) qui réduisent considérablement le besoin d'intervention manuelle. Le marché offre de nombreuses configurations et fonctionnalités qui peuvent prolonger le temps entre les changements de filtres consommables - un expert peut vous aider à trouver le bon équilibre entre la fréquence et les dollars dépensés.

FIGURE 3. Les filtres automatiques nettoyés mécaniquement, comme ce système commercial, peuvent fournir un débit continu, une maintenance simplifiée et un fonctionnement sans souci car il y a moins de risque de libération de COV nocifs dans l'environnement de production

De plus, les boîtiers des unités de filtration - tant qu'il s'agit d'appareils sous pression - doivent être correctement certifiés. L'American Society of Mechanical Engineers (ASME) Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) et la Pressure Equipment Directive (PED) sont deux normes majeures qui garantissent le fonctionnement sûr des équipements sous pression dans le monde entier. L'ASME BPVC a été établi comme un ensemble de procédures pour la conception, la fabrication et l'utilisation de chaudières, d'appareils sous pression et de tuyauteries, et est utilisé aux États-Unis et au Canada ainsi que dans de nombreux autres pays. La DESP est une réglementation européenne qui impose des exigences de sécurité et de conception similaires pour les équipements sous pression.

Ces réglementations définissent en outre les paramètres de conception et de sécurité des systèmes de filtration, des fluides utilisés et des conditions ambiantes et de fonctionnement du système. Dans tous les cas, il est important de s'assurer qu'une solution de filtration porte les tampons et approbations requis par des tiers, indiquant que l'équipement a été construit au plus haut niveau de sécurité et a fait l'objet d'une évaluation. Parfois, les certifications requises peuvent en outre exiger le marquage CE conformément à la DESP basée sur les codes de récipients sous pression EN 13445 ou AD 2000.

De nombreux facteurs affectent l'efficience et l'efficacité des processus de filtration dans les applications de fabrication et de traitement de produits chimiques. Ceux-ci incluent la taille des particules à filtrer, la taille des pores du média filtrant, la viscosité du fluide, la température et la pression du système et la concentration de la suspension. Pour garantir des performances optimales, les systèmes de filtration industriels doivent être conçus pour tenir compte de ces exigences.

Par exemple, un système de filtration peut être trop efficace - et coûteux - si les substances souhaitées sont filtrées avec les impuretés. La taille des particules peut aller de 0,1 µm (par exemple, des bactéries) à 2 000 µm (par exemple, des grains de sable).

Les utilisateurs finaux doivent d'abord évaluer quelles parties du confinement sont indésirables et lesquelles peuvent être autorisées. Ceci est essentiel pour choisir le type, la qualité et la taille de filtre les meilleurs et les plus économiques. Si la taille des pores du média filtrant est trop petite, par exemple, un colmatage prématuré peut se produire, et si les pores sont trop grands, les impuretés peuvent passer directement à travers le filtre.

La quantité de contaminant jouera également un rôle important dans le dimensionnement de l'équipement. Dans certains cas, un simple filtre consommable avec une configuration de support nominale peut fonctionner efficacement, et à d'autres moments, une ou plusieurs configurations de logement à plusieurs sacs ayant un support de grande capacité peuvent être nécessaires. Le marché offre une vaste gamme de produits afin que les utilisateurs finaux puissent trouver un ajustement optimal pour chaque application.

Des charges de contamination très élevées peuvent également influencer le choix des utilisateurs finaux vers un système de filtration automatique (Figure 3). Ces systèmes fonctionnent sans média consommable ou jetable et sont basés sur une conception de rinçage ou de nettoyage mécanique qui les maintient en fonctionnement continu sans s'arrêter pour changer le média filtrant. Les autres facteurs incluent les suivants :

Viscosité. Il convient également de noter que la viscosité d'un fluide affecte la chute de pression à travers un système de filtration. Plus la viscosité est élevée, plus la chute de pression est élevée, en raison de la résistance accrue à l'écoulement. À son tour, le temps nécessaire pour terminer la filtration est augmenté. Cette chute de pression doit être prise en compte lors de la conception d'un système car les fluides à viscosité plus élevée peuvent exercer des niveaux élevés de contrainte sur le filtre, ce qui peut l'endommager.

Température. Pendant ce temps, les basses températures de fonctionnement peuvent ralentir le débit, nécessitant une pompe plus puissante et des matériaux de filtration plus robustes pour gérer la pression accrue à l'intérieur du système. À haute température, les choses peuvent devenir encore plus compliquées. Une chaleur excessive peut nécessiter des éléments de refroidissement supplémentaires pour maintenir le fluide à des températures de fonctionnement sûres, ainsi que pour éviter les pertes par frottement.

Pression. De même, lorsque les pressions de fonctionnement sont trop basses, le débit du fluide diminue et le système de filtration peut ne pas être en mesure d'éliminer efficacement les impuretés. À l'inverse, si la pression est trop élevée, la vitesse du fluide augmentera considérablement, entraînant un processus trop rapide et pouvant endommager les composants du système. Pour ces raisons, certains systèmes de filtration sont conçus avec des régulateurs pour ajuster les pressions aux niveaux souhaités.

Impact environnemental. Une tendance importante liée aux processus de filtration industrielle est la réduction de l'impact environnemental et des risques de coûts en minimisant la production de déchets chimiques et d'eau. Des systèmes de filtration correctement conçus peuvent jouer un rôle clé en garantissant que partout où des filtres jetables doivent être utilisés, le filtre est dimensionné de manière optimale pour s'adapter à la taille du lot ou, dans d'autres cas, que les filtres automatisés génèrent un volume de lavage à contre-courant minimal et/ou un concentré de déchets purgé.

Bien qu'il s'agisse de défis de routine, il est impossible de prévoir toutes les complexités qui peuvent avoir un impact sur les opérations de fabrication et de traitement des produits chimiques. Pour cette raison, il est conseillé aux entreprises de consulter des spécialistes qui ont résolu les mêmes défis à plusieurs reprises auparavant et peuvent résoudre les problèmes, anticiper les besoins des installations et conseiller une solution correcte dès le départ.

Les meilleures pratiques supplémentaires pour la filtration industrielle peuvent être largement appliquées à tous les défis des installations CPI et comprennent les éléments suivants :

Considérations pour la qualité à l'intérieur, la qualité à l'extérieur. La filtration doit avoir lieu avant et après la fin d'un processus de fabrication de produits chimiques, nécessitant des filtres aux points d'entrée et de sortie des liquides (par exemple, aux stations de chargement avant que les liquides ne soient transférés aux camions-citernes et à nouveau lors du déchargement des camions). Chaque fois que des produits chimiques sont transférés, une filtration doit être utilisée à chaque extrémité pour garantir la qualité du produit (Figure 4).

FIGURE 4. Envisagez un système de filtration industrielle partout où il y a possibilité de contamination sur les lignes de traitement. La filtration en amont peut aider à minimiser les coûts d'exploitation en protégeant les filtres en aval plus coûteux

De plus, les systèmes de filtration doivent être strictement conformes aux codes et normes de l'industrie. Cela garantit que le système fonctionne correctement et présentera peu de risques lors de son installation et avec une perturbation minimale de l'environnement (contribuant ainsi également à réduire le risque de contamination ; Figure 4). Il doit également être configuré de manière à ce que la maintenance future puisse être effectuée facilement.

Considérations pour la sécurité de l'opérateur. Pour les systèmes de filtration de liquides, tels que les boîtiers de filtres à manches et à cartouches, qui doivent être ouverts et fermés pour le remplacement des consommables, la sécurité de l'opérateur et l'ergonomie doivent être prises en compte. La hauteur à laquelle un boîtier de filtre doit être ouvert et à partir de laquelle le consommable doit être extrait est un exemple typique. Par exemple, lorsque les boîtiers de filtre sont normalement positionnés dans une configuration verticale, une position inclinée ou même horizontale peut réduire considérablement la hauteur de travail.

La méthode d'ouverture et de fermeture de l'unité de filtrage peut également faire la différence. Là où les unités traditionnelles sont souvent équipées de plusieurs boulons, des systèmes d'ouverture et de fermeture rapides plus conviviaux pour l'opérateur peuvent être choisis pour accéder aux consommables en quelques secondes plutôt qu'en quelques minutes de travail manuel difficile (Figure 5). Notez que les unités doivent être équipées d'un système de sécurité approprié qui bloque le mécanisme d'ouverture rapide lorsque le boîtier est sous pression.

FIGURE 5. Dans les usines CPI, les opérateurs ont besoin de solutions de filtration à manches simples et sûres à utiliser, comme ce boîtier de filtre à manches multiples doté d'un mécanisme d'ouverture et de verrouillage rapide. Debout sur place, l'opérateur peut faire tourner le volant et ouvrir le couvercle. Il n'est pas nécessaire d'avoir un mouvement complet et un accès autour du boîtier ou d'utiliser des outils comme avec les fermetures boulonnées conventionnelles

Les filtres haute capacité, offrant une surface de filtration supplémentaire dans le même boîtier de filtre, peuvent également minimiser les cycles de maintenance nécessaires et, par conséquent, réduire l'exposition de l'opérateur à des environnements potentiellement dangereux.

Enfin, un espace suffisant doit être prévu pour que les opérateurs et le personnel de maintenance puissent accéder et manœuvrer autour de l'unité de filtration de manière à minimiser l'exposition à d'autres risques pour la sécurité dans l'environnement.

En termes de revenus, le marché mondial de la filtration industrielle était estimé à 33,5 milliards de dollars en 2022 et devrait atteindre 45,2 milliards de dollars d'ici 2027, avec une croissance à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 6,2 % [1]. Le marché est actuellement influencé par une foule de facteurs comme ceux discutés ici, y compris les réglementations environnementales édictées par le gouvernement, des exigences plus strictes pour des environnements sûrs et le besoin croissant de fiabilité des processus. Ces facteurs stimulent la demande de solutions de filtration à haute intégrité et hautes performances.

Un grand soin doit être apporté lors de la mise en place de systèmes de filtration dans les installations CPI. Engager un expert pour concevoir le système de filtration est un investissement judicieux. Un concepteur expert connaîtra les aspects techniques de la solution de filtration, pourra personnaliser la configuration en fonction des exigences spécifiques de l'installation et pourra minimiser les risques associés à des mesures de filtration inadéquates. Ils seront également au courant des dernières normes et technologies de l'industrie et pourront suggérer les approches les plus efficaces. De plus, ils s'assureront que la conception respecte toutes les exigences de l'industrie et les directives de sécurité.

La conception, la mise en œuvre et la maintenance de solutions de filtration pour les applications de fabrication et de traitement de produits chimiques sont rarement des processus simples. Les entreprises qui cherchent à optimiser leurs rendements bénéficieront de produits de filtration de haute qualité et de l'assistance d'experts en filtration industrielle qui connaissent tout ce qu'il y a à considérer.

Edité par Gérald Ondrey

1. MarketsAndMarkets Pvt., Ltd., "Industrial Filtration Market - Global Forecast to 2027," Report Code EP 4471, mars 2022, www.marketsandmarkets.com, consulté le 3.22.23.

Ulrich Latz est chef de produit mondial à la division Filtration d'Eaton, basée en Allemagne. Il a plus de 10 ans d'expérience dans le domaine de la filtration industrielle. Latz est titulaire d'une maîtrise en ingénierie de l'Université des sciences appliquées de Cologne.

Wim Callaert est chef de produit senior à la division Filtration d'Eaton, basée en Belgique. Il a 30 ans d'expérience dans le domaine de la filtration dans la gestion globale des produits, les ventes et le marketing. Callaert est titulaire d'un master en ingénierie de l'IHR à Bruxelles.