Brevet FR2189091A1 — publié le 19740125

La présente invention a pour objet des perfectionnements aux dispositifs d'échange, entre deux fluides, d'éléments contenus dans au moins un de ces fluides,tels que molécules ou ions, par dialyse, électrodialyse, osmose inverse ou ultrafiltration. Dans de tels dispositifs, cet échange ffleffectue en général à travers une série de membranesdchangeuses perméables aux seuls dits éléments. Pour l'obtention d'un bon rendement, c'est-à-dire d'un bon échange global à travers chaque membrane, il est nécessaire que la répartition de chaque fluide soit uniforme, et donc qu'il n'existe pas de chemins d'écoulements préférentiels des fluides le long des membranes.A cet effet, les dispositifs d'échange sont habituellement réalisés à l'aide d'une série de membranes échangeuses placées parallèlement les unes aux autres, séparées et maintenues par des pièces intercalaires rigides, les membranes n'étant elles-mêmes pas rigides ; ces pièces intercalaires sont de préférence constituées, de façon monobloc, par un cadre imperméable portant une structure ajourée du type filet ou grille par exemple, permettant la circulation du fluide entre deux membranes. L'ensemble constitué par une pièce intercalaire entourée de deux membranes, parcourue par l'un seulement des deux fluides, est appelée ici chambre d'échange. Toutefois, le rendement de tels dispositifs d'échange est limité par un phénomène connu sous le nom de "polarisation des membranes échangeuses" et qui consiste en une importante variation de la concentration des substances dissoutes dans les fluides au voisinage de ces membranes ; cette variation de concentration provoque l'abaissement des performances des membranes par exemple par formation de dépits sur leur surface , ou par diminution de leur taux de rejection dans le cas de l'osmose inverse. Pour pallier cette difficulté, il est connu d'augmenter la vitesse de circulation du fluide dans chaque chambre d'échange, afin d'augmenter la valeur du gradient transversal de cette vitesse (la vitesse d'un fluide visqueux étant toujours nulle le long des parois),le calcul et l'expérience ayant montré que, pour un flux de matière donné à travers une membrane, la polarisation de cette membrane est d'autant plus faible que ce gradient est plus grand. Toutefois, le temps de passage des fluides dans le dispositif devient alors très court , ce qui entrain la diminution du rendement de ce dernier et il est alors nécessaire de recourir à des palliatifs relativement complexes tels que l'allongement du trajet des fluides dans les chambres d'échange, par exemple par un parcours tortueux. Une autre solution pour augmenter le gradient de vitesse est de choisir une valeur très faible pour l'épaisseur totale de chaque chambre d'échange; en effet, pour une vitesse d'écoulement de fluide donnée dans une canalisation, il est connu que ce gradient est d'autant plus élevé que la canalisation est plus étroite. Cependant, le choix de structures minces introduit des difficultés technologiques particulières et importantes. En effet, les membranes échangeuses ayant tendance dans tous les cas à se dilater en présence des fluides, si les structures ajourées sont minces, de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres, elles se trouvent presque obstruées par les membranes si ces dernières ne sont pas suffisamment séparées les unes des autres par les cadres portant les structures ajourées ; il est donc nécessaire d'adopter pour ces cadres une épaisseur supérieure à celle des structures, ce qui entrasse des problèmes d'étanchéité pour chaque chambre d'échange au niveau des conduits d'amenée de fluide, du fait de la non rigiditd des membranes,qui reposent ainsi sur des supports d'inégale épaisseur (cadre et séparateur) ainsi qu'il est montré ci-dessous en détail.Cette étanchéité imparfaite, ayant pour effet un mélange partiel des deux fluides, est très préjudiciable parce que , d'une part,elle est susceptible d'affecter le rendement global du dispositif comme par exemple dans le cas d'un dispositif réalisant l'abaissement du taux de salinité d'une eau, dans lequel circulent le fluide dont on réduit ledit taux et un fluide à taux plus élevé, et d'autre part elle rend impossible l'utilisation du dispositif dans le cas notamment du traitement de produits alimentaires.Ces problèmes d'étanchéité sont bien connus et ont été résolus de différentes façons, mais cela pour des structures épaisses, de l'ordre du millimètre ; il est connu en particulier, dans ces structures, de rendre d'égale épaisseur les supportssconstitués par les pièces intercalaires, sur lesquels reposent les membranes échangeuses, et pour cela de recourir par exemple soit à de nombreux éléments empilés constituant un distributeur de fluide à l'entrée de chaque d epgisseur célle du cadre,et chambre,soit à un distributeur monobloc /4gale à celle du cadre,et percé de trous de distribution de fluide dans son épaisseur.#Toutefois l'application de ces solutions aux structures minces est impossible pour des raisons pratiques évidentes, tant en ce qui concerne l'empilement de pièces dont l'épaisseur totale ne devrait pas dépasser quelques dixièmes de mm,ssn ce qui concerne le distributeur monobloc de même épaisseur, le débit de fluide à travers des trous percés dans un tel distributeur étant très insuffisant pour les applications envisagées. la présente invention a pour objet un dispositif d'échange entre deux fluides qui ne présente pas les inconvénients précé demment énoncés grâce à l'utilisation de structures mincescompor- tant des pièces intercalaires constituées par une structure ajourée mince et incompressible portée par un cadre plus épais, imperméable aux fluides, l'étanchéité de chaque chambre d'échange par rapport à l'autre fluide étant réalisée à l'aide d'une surépaisseur du cadre. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante et des figures s'y rapportant, parmi lesquelles - - la figure i est une vue éclatée d'un exemple de dispositif d'échange selon l'art connu - la figure 2 est une figure explicative - la figure 3 représente une pièce intercalaire selon l'invention. Sur la figure 1 est représentée une partie d'un dispositif d'échange entre deux fluides A et B, constituée par une première pièce intercalaire 11, une première membrane échangeuse 21, une deuxième pièce intercalaire 12, une seconde membrane 22 . et une troisième pièce intercalaire 13, les membranes 21 et 22 et la pièce intercalaire 12 constituant une chambre d'échange 1. Pour la clarté de la figure, d'une part le dispositif a été représenté en vue éclatée, et d'autre part l'épaisseur de chaque élément a été très augmentée. La pièce intercalaire 11 est constituée par : une structure ajourée 32 du type grille, de forme généralement rectangulaire, réaliséeen un matériau plastique incompressible, et un cadre 31 supportant la grille 32 sur sa périphérie, et plus épais que cette dernière.le cadre 31 doit être plus épais que la grille 32 pour éviter notamment, ainsi qu'il a été exposé plus haut, que la dilatation des deux membranes échangeuses placées de part et d'autre de la grille 32 ne provoque l'obstruction de cette dernière ; en effet, dans un exemple typique de structures minces, la dilatation en épaisseur de ces deux membranes atteint environ 10 ffi de l'épaisseur de la grille 32. le cadre 31 comporte quatre orifices 34, 35, 36 et 37 (deux à chacune des extrémités) dans lesquels circulent les fluides À et B ; le fluide A peut circuler de l'orifice 34 à l'orifice 37 grâce à la grille 32, ainsi qu' indiqué sur la figure par une flèche 38 ; les deux autres orifices (35 et 36) dans lesquels circule le fluide B, sont isolés chacun de la grille 32, et donc du fluide A, par une portion du cadre 31. La deuxième pièce intercalaire (12) est constituée de façon analogue par une structure ajourée ou grille, 62, portée par un cadre 61 comportant quatre orifices 64, 65, 66 et 67, deux orifices opposés (65 et 66) étant mis en communication par la grille 62, ce qui permet la circulation du fluide B d'un orifice à l'autre dans la chambre d'échange 1 comme indiqué par une flèche 68 les deux autres orifices (64 et 67) sont isolés par une portion du cadre 61. L'empilement des pièces 11 et 12 est réalisé de telle sorte que les orifices 34, 35, 36 et 37 se trouvent respectivement au dessus des orifices 64, 65, 66 et 67 afin que les circulations du fluide A, le long de la grille 32, et du fluide 13, le long de la grille 62, s'effectuent respectivement suivant les deux diagonales des rectangles 11 ou 12. ha troisième pièce intercalaire (13) est identique à la pièce il et permet également le passage du fluide A. La membrane échangeuse 21, appropriée au type d'échange réalisé par le dispositif, est perméable aux seuls ions ou molécules à échanger ; elle comporte quatre orifices, 51, 52, 53 et 54, permettant aux fluides A et B de circuler d'une chambre d'échange à l'autre. La membrane échangeuse 22, appropriée comme la membrane 21 au type d'échange considéré, peut entre soit identique, soit de type opposé (membranes alternativement anioniques et cationiques dans le cas de l'électrodialyse par exemple ha figure 2 représente une vue en perspectif de l'empilement des éléments 11, 21 et 12, coupés suivant l'axe/de la figure 1. Stir cette figure sont schématisés comme sur la figure i les trajets des fluides A et B: pour le fluide A, par un trait continu passant par les orifices 34, 51 et 64 (ce dernier étant seul schématisdl et le long de la grille de la pièce il (flèche 38), grille représentée simplement par sa trace 321 dans le plan de la coupe Xx ; pour le fluide B, par un trait interrompu passant par les orifices 35, 52 et 65 (ce dernier étant seul représenté) et le long de la grille de la pièce 12 (flèche 68). L'important inconvénient d'un tel empilage alterné de membranes et de pièces intercalaires minces comportant un cadre plus épais, est que, les membranes telles que 21 n'étant pas rigides, elles s'affaissent sur la grille (dont la trace est repérée 621) de la chambre d'échange adjacente, formant ainsi une vallée (telle que 55)commençant au niveau de l'un des orifices (52) de la membrane (21) entraînant ainsi le mélange des deux fluides entre lesquels les échanges ne doivent évidemment être effectués qu'd travers les membranes. Sur la figure, la flèche 56 montre le trajet que suit le fluide B, passant par la vallée 55, jusque dans la chambre d'échange où circule#normalement le seul fluide A. La figure 3 représente une pièce intercalaire selon l'invention. Elle est constituée par une structure ajourée 72, du type grille, réaliséeen un matériau plastique imperméable et incompressible, tel qu'un Tergal; porté par un cadre|,réalisé par exemple par pressage à chaud d'un matériau plastique tel qu'un polychlorure de vinyle dit alimentaire, c'est-à-dire apte au traitement de produits alimentaires, de part et d'autre de la périphérie de la grille 72. Ellecomporte quatre orifices 74, 75, 76 et 77, découpés dans le cadre 71 comme précédemment, à savoir deux (74 et 77) permettant la circulation (flèche 73) de l'un des fluides dans la chambre d'échange par l'intermédiaire de la grille 72, et deux (75 et 76) dans lesquels circule l'autre fluide, isolés chacun de la grille 72 par une portion du cadre 71 Ces portions de cadre présentent une surépaisseur, respectivement 78 et 79, par rapport au reste du cadre, de part et d'autre du plan de la grille 72, afin d'éviter que, comme le montre la figure 2, il ne se produise un mélange des fluides par la voie de la vallée 55 dont on rappelle qu'elle se produit dans la membrane, sous les orifices isolés (75 et 76).Ces surépaisseurs peuvent être avantageusement réalisées par un défaut de pressage local du matériau constituant le cadre 71 sur le matériau constituant la grille 72. En ce qui concerne le dimensionnement des surépaisseurs 78 et 79, il a été constaté expérimentalement qu'il était préférable que, d'une part leur longueur soit supérieure à la largeur de la vallée 55 qui tend à se former (figure 2) , et que d'autre part leur épaisseur soit telle que l'épaisseur totale de l'empilement de chambres d'échange constituant le dispositif, au droit de la ligne 5, soit constante le long de cette ligne. De plus, les cadres des pièces intercalaires situées aux deux extrémités d'un tel dispositif d'échange ne doivent présenter de surépaisseur que sur leur face interne. Cette structure peut bien entendu être étendue au cas d'un dispositif d'échange à circuit d'amenée de fluide multiple, des surépaisseurs du cadre devant alors etre prévues au niveau de chacun des orifices (tels que 75 ou 76) isolés de la grille qui con duiaent un fluide dans une autre chambre d'échange Une telle pièce intercalaire permet donc d'assurer l'étanchéité de chambres d'échange de très faible épaisseur dont l'empilement qui constitue le dispositif d'échange entre deux fluides est de plus aisément réalisable grâce à la structure monobloc des pièces intercalaires. A titre d'exemple, il a été réalisé un dispositif d'échange comportant des membranes échangeuses de 46 cm de long, 10 cm de large et 180/u d'épaisseur, et des pièces intercalaires de même longueur et largeur, constituées chacune par une grille de 6 cm de large, d'environ 40 cm de long au niveau des orifices, et un cadre de 370/u dlépaisseur et environ 2 cm de large, comportant une surépaisseur de 550/u d'épaisseur et d'environ 3 cm de long; l'épaisseur totale d'une cellule élémentaire, c'est-à-dire une partie du dispositif comportant une pièce intercalaire entourée par deux membranes, elles-m8mes entourées de deux demi-pièces intercalaires, est dans ces conditions et lors du fonctionnement du dispositif, quand les différents éléments sont fixés et serrés entre eux, constante et égale à 1, 1 mm tout le long de la ligne YT, cette épaisseur étant légèrement supérieure à la valeur précédente au droit des surépaisseurs lorsque le dispositif n'est pas serré : elle est alors d'environ 1,18 mm. L'étanchéité d'un dispositif comportant 37 telles cellules élémentaires a été testée : le débit de fuite obtenu est inférieur à 1,5 cm3/minute pour une pression d'entrée de 0,3 bar, alors que pour un dispositif analogue, de mêmes dimensions, mais dans lequel ne sont pas prévues de dispositions particulières pour assurer l'étanchéité, le débit de fuite est de l'ordre de 40 cm3/mn. Par ailleurs, il a été vérifié expérimentalement à l'aide de ce dispositif que le choix des structures minces permet de réduire considérablement le phénomène de polarisation des membranes, pour les raisons indiquées plus haut, et ce avec une vitesse d'écoulement de fluide suffisamment faible pour un bon rendement global. C'est ainsi qu'à l'aide d'un dispositif d'électrodialyse comportant 250 telles cellules et fonctionnant en recirculation, il a été obtenu un dessalement d'eau de mer de 36 g/l à 0,4g/l à raison de 1700 1/jour, un tel taux de dessalement ne pouvant par ailleurs être obtenu qutå l'aide d'un dispositif présentant un taux de fuite très faible. La présente invention est notamment utilisable en électrodialyse, par# exemple appliquée aux eaux saumâtres et aux produits alimentaires (tel le lactosérum) ; elle est plus généralement utilisable pour tous dispositifs d'échange entre deux fluides, tels que les dispositifs de dialyse, d'osmose inverse et d'ultrafiltration. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échange entre deux fluides d'éléments contenus dans au moins un des fluides, comportant un empilage de membranes, perméables audits éléments, et des cadres imperméables auxdits fluides, intercalés entre lesdites membranes, remplis chacun par une structure ajourée plus fine que ledit cadre, des orifices, prévus dans lesdits membranes et lesdits cadres, constituant des conduitoed'amenée de l'un des fluides sur une structure ajourée sur deux et de l'autre fluide sur les autres structures; ledit dispositif étant caractérisé par le fait que chacun desdits cadrescomporte des surépaisseurs(78,79) situées entre ladite structure ajourée(72) et ceux des orifices (75, 76)qui constituent les conduites d'amenée du fluide ne parcourant pas la structure considérée. 2. Dispositif d'échange selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite structure ajourée (72) est du type grille, et constituée par un matériau incompressible; que ledit cadre (71) est réalisé par pressage à chaud d'un matériau plastique sur la périphérie de ladite structure (72), et que lesdites surépaisseurs (78,79) sont constituées par un défaut de pressage local dudit matériau plastique sur le matériau constituant ladite structure (72). 3. Dispositif d'échange selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur et l'épaisseur desdites surépaisseurs dernières,l'épaisseur totale dudit dispositif d'échange soit sensiblement constante.