Brevet FR2080624A1 — publié le 19711119

.05594 1 2080624 La présente invention est relative aux séparateurs de gaz à membranes. On a utilisé jusqu'à présent des types de séparateurs de gaz à deux membranes pour séparer des matières organiques condensables 5 de courants de gaz permanents porteurs. De tels séparateurs sont décrits dans les brevets des Etats-Unis 3 ^55 092 et 3 ^29 105. Ces séparateurs de gaz comprennent, chacun, un étage intermédiaire entre les deux membranes, dans lequel, au moyen d'une pompe à vide poussé , on fait un vide jusqu'à une pression relativement 10 faible, de l'ordre de 0,001 à 0,1 torr, pression partielle de l'azote. Lorsque de tels séprateurs de gaz de type à membranes sont utilisés dans une application dans laquelle le courant de gaz porteur comprend une proportion notable de vapeur d'eau avec la matière organique devant être séparée, on a constaté que la vapeur 15 d'eau traverse les membranes et passe dans le ëpectromètre de masse ou autre type d'analyseur de gaz relié à la sortie du séparateur. La vapeur d'eau passe également dans la pompe à vide qui est reliée à l'étage intermédiaire. La vapeur d'eau tend à surcharger les pompes à vide et le spectromètre de masse ou autre analyseur de gaz sous 20 vide. Par conséquent, dans ces conditions, lorsque le courant de gaz porteur comprend une proportion notable de vapeur d'eau, comme par exemple dans les échantillons d'air, il est souhaitable de réaliser un dispositif pour extraire la vapeur d'eau afin d'éviter toute surcharge des pompes à vide et de l'analyseur de gaz. 25 Le but principal de l'invention est de réaliser un séparateur de gaz à membranes comportant un moyen pour l'extraction de la vapeur d'eau. Suivant l'invention, il est prévu dans un séparateur de gaz à membranes trois membranes de séparation des gaz disposées en série, 30 de manière à délimiter un étage d'entrée, un étage de sortie et deux étages intermédiaires, ces étages intermédiaires étant mis sous vide respectivement au moyen d'une première et d'une seconde pompes à vide, la seconde pompe à vide ayant une vitesse de pompage de la vapeur d'eau qui excède notablement sa vitesse de pompage de 35 l'azote, grâce à quoi la vapeur d'eau est à peu près enlevée avant d'atteindre la région de sortie.du séparateur ou une pompe supplémentaire à vide élevé, reliée au second étage intermédiaire en aval "de la pompe à vapeur d'eau. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les moyens 40 de pompage de la vapeur d'eau comprennent une matière desséchante 71 05594 2 2080624 solide, destinée à retenir la vapeur d'eau. Suivant encore une autre caractéristique de l'invention, la matière desséchante est choisie dans le groupe qui comprend les zeolites, l'alumine et le pentoxyde de phosphore. 5 D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suibre, faite en se référant au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple et dans lequel: la Fig. 1 est un schéma d'un dispositif analyseur de gaz utilisant un séparateur de gaz à membranes suivant l'invention; 10 la Fig. 2 est une vue d'une variante d'une partie du mode de réalisation de la Fig. 1, partie encadrée par la ligne 2-2; la Fig. 3 représente une variante de la partie représentée à la Fig. 2. En se référant à la Fig. 1 on voit un dispositif analyseur de 15 gaz 1 suivant l'invention. Ce dispositif comprend un conduit à liquide 2, agencé pour diriger un courant de liquide contenant une matière organique devant être analysée à travers l'extrémité d'une conduite de gaz 3 qui est fermée au moyen d'une première membrane 4 semi-perméable, de telle façon que le liquide plus la matière 20 organique s'écoulent sur la surface de la"membrane semi-perméable 4. Cette membrane 4 est relativement perméable à la matière organique et relativement imperméable aux liquides inorganiques tels que l'eau et aux gaz permanents qui peuvent être transportés dans le liquide. On peut utiliser notamment une mémbrane 4 d'une épaisseur 25 de 0,025 nim en polymère de diméthyl silicone. Trois membranes supplémentaires 5, 6 et 7,analogues chacune à la membrane 4, sont montées de façon hermétique en travers de la conduite de gaz 3, en série sur le trajet d'écoulement du gaz à travers la conduite 3, afin de constituer'un séparateur de gaz 8 à 30 trois membranes. Le séparateur de gaz 8 comprend un étage d'entrée 9, un étage de sortie 11, enaval de la dernière membrane 7 et deux étages intermédiaires 12 et 13 délimités par la partie de la conduite 3 comprise entre les membranes adjacentes 5 et 6 et 6 et 7 respectivement. 35 Une alimentation permanente 14 en un gaz tel que Ng, 02 ou de l'air est agencée pour diriger un courant de gaz permanent porteur à travers l'étage d'entrée 9 et un orifice 15 de mise à l'atmosphère. Le courant de gaz permanent porteur sert à capter les vapeurs organiques ayant traversé la -première membrane 4 et à trans-40 porter ces vapeurs organiques en surface de la première membrane 71 05594 3 2080624 d'entrée 5 du séparateur de gaz. Le premier étage intermédiaire 12 est relié à une pompe mécanique à vide 16 pour faire le vide dans ledit étage intermédiaire 12 jusqu'à une pression appropriée telle qu'une pression partielle 5 de 0,1 à 10 tcrr de l'azote constituant du gaz porteur, lorsque l'on utilise de l'air comme gaz porteur. Le second étage intermédiaire 13 e'st relié à une pompe 17 à vide poussé, par l'intermédiaire d'un tuyau 18. Une pomoe 1Ç> de sorption de vapeur d'eau est branchée sur le tuyau 18, entre le second étage intermédiaire 13 et 10 la pompe à vide 17, afin d'extraire sélectivement la vapeur d'eau dudit étage intermédiaire 13 et pour empêcher la vapeur d'eau de surcharger la pompe à vide poussé 17. Cette pompe à vide 17 fait le vide dans l'étage intermédiaire 13 jusqu'à une pression relativement faible, telle que par exemple G,001 à G,1 torr de pression 15 partielle du constituant principal du gaz porteur. L'étage de sortie 11 du séparateur de gaz 8 à membranes à trois étages est relié à l'entrée d'un analyseur de gaz 21, tel qu'un spectromètre de masse ou un analyseur de gaz à quatre pôles. On fait le vide dans l'analyseur de gaz 21 jusqu'à une pression 20 relativement faible, telle que 10"^ à 10~^ torr au moyen d'une pompe 22 à vide poussé, telle qu'une pompe à vide ionique à getter. En fonctionnement, de l'eau ou autre liquide inorganique contenant une proportion notable de vapeur plus une matière organique devant être détectée, est astreinte à s'écouler à travers la 25 conduite 2 sur la surface de la première membrane séparatrice 4 qui sépare le liquide des matières organiques condensables, qui diffusent à travers cette première membrane 4 avec la vapeur d'eau pour pénétrer, à l'état de vapeur, dans l'étage d'entrée 9 du séparateur de gaz 8. 30 Dans cet étage d'entrée 9, la matière organique vaporisée avec une certaine quantité de vapeur d'eau qui n'excède pas 100^ d'humidité relative est captée dans le courant de gaz permanent porteur et passe sur la membrane d'entrée 5 du séparateur de gaz 8. Les vapeurs organiques condensables se trouvant dans le courant de 35 gaz porteur diffusent à travers cette membrane d'entrée 5 du séparateur 8 avec une certaine proportion de vapeur d'eau et une relativement faible quantité du gaz porteur, de telle sorte que la fconcentration de la vapeur organique dans le gaz porteur lorsqu'il passe dans le premier étage intermédiaire 12 est notablement enri-40 chie, par exemple suivant un facteur compris entre 100 et 1000 par BAD ORIGINAL 71 05594 4 2080624 comparaison à la concentration de la vapeur organique dans le courant de gaz porteur dans l'étage d'entrée 9- Dans le premier étage intermédiaire 12, une portion principale du gaz porteur est extraite par l'intermédiaire de la pompe 5 mécanique à vide 16, tandis qu'une portion des vapeurs organiques, avec une certaine quantité de vapeur d'eau, passe à travers la seconde membrane 6 dans le second étage intermédiaire 13. Comme dans le cas de la séparation de gaz effectuée par la première membrane un nouvel enrichissement de l'ordre de 100 à 1000, de la 10 concentration des vapeurs organiq^ues dans le courant de gaz porteur passant dans le second étage intermédiaire 13 est obtenu par le passage du gaz à travers la membrane 6. Dans le second étage intermédiaire 13, la vapeur d'eau est extraite en étant pompée, de préférence, par la pompe 19 de sorption de vapeur d'eau qui est 15 reliée à l'étage intermédiaire 13, en amont de la pompe à vide 17 afin d'empêcher toute surcharge de cette pompe 17 par de la vapeur d'eau. Les vapeurs organiques gagnent, à travers la membrane de sortie 7, l'étage de sortie 11, tandis que les gaz permanents sont retenus par cette membrane 7 de la même façon qu'une séparation a 20 été obtenue par les membranes 5 et 6, de telle sorte qu'on obtient une élévation additionnelle de la concentration de la vapeur organique dans le gaz traversant la membrane de sortie 7. Un séparateur de gaz 8 à trois membranes, tel que décrit, est particulièrement efficace pour élever la concentration en matière 25 organique dans l'échantillon de gaz qui, à travers le séparateur 8, gagne l'analyseur de gaz 21. Plus particulièrement, le séparateur 8 est capable de produire un enrichissement de l'ordre de 10^ à' l£r de telle façon qu un mélange gazeux typique contenant une partie par million d'un composé organique dans l'étage d'entrée 9 30 est transformé, dans l'étage de sortie 11, en un mélange qui est composé 'de 10 parties de la vapeur organique pour une partie du gaz porteur tel que l'azote. Cet enrichissement est obtenu sans diminution importante des vapeurs organiques. Le dispositif analyseur "de gaz représenté à la Fig. 1 permet facilement la détection des 35 composés organiques dans le courant de gaz de l'étage d'entrée.9, en concentration aussi faible qu'un centième de picogramme (10~12 grammes) par centimètre cube de gaz. Dans l'analyseur 1 représenté à la Fig. 1, lorsque'de l'eau chargée d'une matière organique passe sur la première membrane sé-40 paratrice 4, la vapeur d'eau dans l'étage d'entrée 9 est de l'ordre BAD ÔRIGtNAL 71 05594 5 2080624 de 100$ d'humidité relative. S'il n'était pas prévu la troisième membrane 7 séparatrice de gaz constituant le second étage intermédiaire 13 et la pompe 19 de sorption de vapeur d'eau, la vapeur d'eau traversant les membranes 5» 6 et 7 constituerait une charge 5 d'eau plus importante que celle de la pompe à vide 22 ou que la pompe à vide poussé 17 pourraient supporter. Par contre, grâce au fait qu'il est prévu la pompe de sorption 19 de vapeur d'eau, la transmission de vapeur d'eau à travers le séparateur 8 à membranes est à peu près supprimée. D-ms un but de clarté, on a représenté 10 un séparateur 8 de gaz à trois membranes dans un dispositif dans lequel la vapeur d'eau constituerait un problème important s'il n'était pas prévu un troisième étage du séparateur à membrane 8 et la pompe 19 de sorption de vapeur d'eau. Cependant, on comprend que le dispositif analyseur ne nécessite pas 1'utilisation de l'é-15 tage de séparation eau/vapeur constitué par la'membrane 4. Le séparateur de gaz 8 est utilisé avec avantage pour analyser des vapeurs organiques constituantes de l'atmosphère ou autre courant de gaz porteur chargé de vapeur d'eau. Dans ce cas, l'appareil serait à peu près le même que celui représenté à la Fig. 1, en sup-20 primant la conduite 2 et la première membrane 4. De même, dans le dispositif de la Fig. 1, il n'est pas nécessaire de prévoir deux pompes à vide poussé 17 et 22, du fait qu'une seule pompe à vide poussé peut être utilisée avec un premier conduit la reliant à l'analyseur de gaz 21 et un second conduit à capacité de passage 25 plus faible la reliant au conduit 18 en aval de la pompe 19 de sorption de vapeur d'eau. La Fig. 2 représente partiellement une variante de réalisation de l'invention. Ce mode de réalisation est à peu près le même que celui représenté à la Fig. 1, à l'exception près que la pompe 19 30 de sorption de vapeur d'eau est disposée er: série entre le second étage intermédiaire 13 et la pompe 17. La Fig. 3 représente partiellement une autre variante de réalisation de l'inventien. Ce mode de réalisation est à peu près le même que celui représenté à la Fig. 1, à l'exception près que la 35 pompe 19 de sorption de vapeur d'eau est reliée comme une pompe borgne au conduit 18 débouchant .dans le second étage intermédiaire 13 afin de pomper la vapeur d'eau. Dans ce cas, on peut laisser l'azote ou autre constituant permanent, du gaz du courant de gaz porteur, qui se trouve à une concentration relativement faible dans 40 le second étage intermédiaire 13, être absorbé par la pompe 19 de BAD ORIGINAL 71 05594 6 2060624 sorption. Dans un exemple caractéristique d'une pompe 19 de sorption de vapeur d'eau reliée au dispositif analyseur de gaz représenté aux Fig. 1 à 3, on a constaté qu'une pompe 19 ayant une capacité d'approximativement 100 grammes de zéolite traitée fournit un pompage approprié de vapeur d'eau pour approximativement 1000 heures de fonctionnement. De plus, la charge de zéolite pour la pompe 19 de sorption de vapeur d'eau peut être de nouveau traitée et réutilisée en faisant chauffer la pompe 19 tout en faisant le vide dans celle-ci afin d'en extraire, la vapeur d'eau. BA0 ORIGINAL 71 05594 7 2080624 REVENDICATIONS 1.- Séparateur de gaz à membranes, qui comprend des moyens formant une conduite de gaz pour un courant de gaz formé d'un gaz porteur permanente, de vapeur d'eau et d'une matière-échantillon 5 devant être séparée, cette conduite de gaz comportant au moins trois membranes séparatrices, montées de façon hermétique en travers de ladite conduite en série sur un trajet d'écoulement à travers le séparateur pour délimiter un étage d'entrée, un étage de sortie et deux étages intermédiaires délimités entre des membra-10 nés adjacentes, ces étages intermédiaires étant disposés entre lesdits étages d'entrée et de sortie, un diSDositif de nomnatte aspirant dans ledit premier étage intermédiaire pour y faire le vide jusqu'à une pression de gaz inférieure à la pression du gaz qui règne dans ledit étage d'entrée, un second dispositif de pompage aspirant 15 dans ledit second étage intermédiaire pour y faire le vide jusqu'à une pression inférieure à celle dudit premier étage intermédiaire, ce séparateur étant caractérisé en ce que ledit second dispositif de pompage comprend des moyens pour pomper la vaoeur d'eau provenant dudit second étage intermédiaire avec une vitesse 20 de pompage qui excède notablement la vitesse de pompage de ce second dispositif de pompage pour le constituant permanentdu gaz porteur. 2.- Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour pomper la vapeur d'eau comprennent une 25 matière desséchante solide. 3.- Séparateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite matière desséchante est choisie dans le groupe constitué par une zéolite, l'alumine et le pentoxyde de phosphore. 4.- Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce 30 que le vide créé dans ledit premier étage intermédiaire correspond à une pression partielle du gaz porteur comprise entre 0,1 et 10 torr, tandis que ledit second étage intermédiaire est vidé jusqu'à une pression partielle du gaz porteur comprise entre 0,001 et 0,1 torr. 35 5.- Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites trois membranes séparatrices sont des membranes semi-perméables qui sont relativement imperméanles au gaz permanent et relativement perméables à la matière devant être séparée. 6.- Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce 40 que lesdites trois membranes séparatrices sont en diméthyl silicone. bad original 71 05594 8 2080624 7.- Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il corfiprend un analyseur de gaz sous vide relié à l'étage de sortie, afin d'analyser les gaz ayant traversé ledit séparateur de gaz à membranes. bad original