Étude du colmatage de filtres métalliques par un aérosol liquide

Study of the clogging of metal filters by a liquid aerosol

• Auteur / Autrice : Marie Lecoq
• Direction : Dominique Thomas, Jean-Christophe Appert-Collin, Soleiman Bourrous
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 06/02/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Evelyne Gehin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Thomas, Aurélie Joubert, François-Xavier Ouf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélie Joubert, François-Xavier Ouf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols

Perte de charge

Humidité

Filtres

Toiles métalliques

Filtres à air

Mots clés libres

Medium métallique

Humidité

Aérosol liquide

Humidity

Metallic medium

Liquid aerosol

Résumé

Le confinement des installations industrielles susceptibles de contenir des matières dangereuses est assuré en grande partie par des filtres à très haute efficacité (THE) intégrés dans les réseaux de ventilation. Dans les procédés, mis en œuvre dans l'industrie nucléaire, certains scénarios accidentels peuvent conduire au dégagement de liquide sous forme de gouttelettes en suspension (aérosol liquide). Dans ce cas de figure, leur présence peut affecter les performances des filtres THE en engendrant une élévation rapide et importante de leur perte de charge pouvant conduire à une diminution notable du débit de ventilation, voire atteindre la limite de leur résistance mécanique et leur capacité à retenir les contaminants aéroportés. Pour pallier ce problème, une des solutions envisagées est l'utilisation d'un préfiltre à fibres métalliques (plus résistant mécaniquement mais moins efficace) pour protéger le filtre THE constituant le dernier niveau de filtration ou pour à minima augmenter sa durée de vie en cas de scénarios accidentels. Afin de valider cette solution, il est nécessaire d'étudier, face à un aérosol liquide, le comportement de ces préfiltres composés par un empilement de plusieurs monocouches de médias de caractéristiques différentes. Les différents médias métalliques testés ont été caractérisés, dans un premier temps, en termes d'épaisseur, de compacité et de distribution granulométrique de fibres. L'évolution de l'efficacité de collecte et de la perte de charge au cours du colmatage par un aérosol liquide DEHS a ensuite été étudiée à différentes vitesses de filtration (0,9 à 18 cm/s). On retrouve l'évolution classique décrite dans la littérature : augmentation quasi-linéaire de la perte de charge avant une croissance exponentielle et une stabilisation. Les médias multicouches présentent, cependant, une phase de stabilisation de la perte de charge plus progressive comparativement aux monocouches. Un scénario de colmatage a été proposé et un modèle simpliste d'évolution de la perte charge en fonction de la masse de liquide accumulé au sein du filtre est présenté pour les médias monocouches. Afin de figer le liquide accumulé au sein du média et permettre une visualisation par micro-tomographie X des médias partiellement ou totalement colmatés, des résines thermodurcissables ont été testées. Les premiers résultats ont mis en évidence une perte de volume des résines trop importante après séchage ce qui rend difficile l'interprétation des clichés obtenus.

Industrial installations often contain hazardous materials in aerosol form. High efficiency filters (HEPA) are usually the last barrier that ensure the containment of these airborne particles. In the nuclear industry, a large amount of radioactivity is handled in liquid form, that may release, in few scenarios, liquid aerosols. These particles may affect the performance of HEPA filters with a huge increase of the pressure drop, which lead in return to a significant reduction of the ventilation flowrate. In such scenarios the pressure drop increase may exceed the filter mechanical strength and induce degradations of the media and leading to a deterioration of its capacity to retain aerosol pollutants. To overcome this problem, and to protect HEPA filter, one of the solutions is to use pre-filter (more mechanically resistant but less efficient) made up with metallic fibers. To validate this approach, it is necessary to study the behavior of these prefilters, composed of a stack of different monolayers of media. In my work, I first focused on the clogging of industrial prefilters with liquid aerosol particles. Then, for a more analytical study, I study the clogging each layer separately, in order, to model, on the future, the behavior of the assembly. The microphysical of each media (thickness, packing density, and fiber size distribution) are determined. The evolution of both filter collection efficiency and pressure drop are studied along the clogging by a submicron liquid aerosol DEHS, for different filtration velocity (0,9 à 18 cm/s). For monolayer filters, I measure pressure drops in line with the previous results found in the literature. These experiments first highlight a quasi-linear increase of the pressure drop, associate with a collection of the droplets by the fibers. Then an exponential growth is measures, that corresponds to the clogging of the pores. And finally, an abrupt stabilization is observed corresponding a liquid film formation and its continuous drainage by the airflow. However, I show a more gradual stabilization for multilayer filters. A clogging scenario is proposed, and a simplistic model is established to forecast the pressure drop as a function of the mass of liquid accumulated. To this aim, I develop a new method to freeze the liquid accumulation using resin, that where further analyze using X-ray tomography.