Brevet FR2222134A1 — publié le 19741018

La présente invention, à la réalisation de laquelle ont collaboré Messieurs Jacques BAUDET, Michel SALMON et Bernard VOGT, concerne un appareil mettant en oeuvre des fibres creuses utilisable notamment comme séparateur ou mélangeur de fluides ; elle concerne plus particulièrement un disque à fibres creuses qui est un élément de cet appareil. Les opérations de séparation de fluides envisagées sont principalement l'ultrafiltration, l'osmose inverse, la perméation gazeuse ; ces opérations peuvent bien entendu constituer des opérations d'enrichissement. Les opérations de mélange de fluides envisages sont notamment la dissolution d'un gaz dans un liquide et la vaporisation d'un liquide dans un gaz, ces opérations étant appliquées par exemple pour réaliser des échanges thermiques, du conditionnement d'air, de l'humidification d'air ou autre gaz > du gazage de liquide (prétraitement par C0#d'eaux avant osmose inverse, etc...). Dans le brevet francais I 547 549 on a décrit un appareil de séparation à fibres creuses dans lequel ces fibres creuses sont mises sous forme d'un carré de tissu disposé dans un cadre, ce cadre comprenant un nombre pair (au moins 4) d'ouvertures périphériques, espacées en opposition et servant à l'écoulementdu perméat de l'intérieur des fibres ide tel cadres sont évidemment délicats à construire. Il a maintenant été-trouv#, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, des disques à fibres creuses ainsi que des appareils utilisant ces disques, ces appareils étant alors des appareils simplifiés. lesaisquesselon l'invention utilisables notamment dans les appareils séparateurs ou mélangeurs de fluide sont caracterisés en ce qu'ils comprennent : ) une pluralité de fibres creuses entrelacées en nappe et ouvertes à leurs extrémités. p) Un cadre plein dans lequel sont noyées les extrémités des fibres creuses, lesdites fibres creuses débouchant librement A la périphérie desdits cadres. Ces disques peuvent former la partie active d'appareils de traitement de fluide qui comprennent des moyens d'alimentation et de soutirage en un fluide circulant à l'extérieur des fibres creuses et des moyens de soutirage ou d'alimentation d'un fluide communiquant avec l'intérieur des fibres creuses et qui comprennent 2 un empilement étanche de disques tels que mentionnés précédemment. B) une enveloppe étanche délimitant une enceinte à l'intérieur de laquelle se trouve ledit empilement de disques, ladite enceinte étant séparée en deux parties, l'une communiquant seulement avec l'intérieur desdits disques et comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie pour un fluide, l'autre partie communiquant seulement avec la périphérie de l'empilement desdits disques et comportant un orifice pour un fluide. l'appareil tel que décrit précédemment peut comporter des chicanes installées dans 11 empilement des disques, ainsi qu'un support poreux de renforcement de l'ensemble des cadres empilés. Les disques tel que définis précédemment peuvent être réalisés en utilisant un moule constitué en un matériau non adhésif à la colle devant constituer le cadre. Ce moule étant constitué #d'un noyau et d'un anneau qui, placés l'un sur l'autre, délimitent un espace vide dont les dimensions cor rependent à celle du cadre du disque à réaliser. Les fibres creuses, entrelacées en nappetsont placées entre le noayu et l'anneau du moule. On coule dans l'espace vide une colle encore à l'état liquide devant constituer le cadre,et après durcissement de cette colle on démoule l'ensemble obtenu et arase la nappe de fibres sur le pourtour extérieur du cadre formé. Il est bien entendu que, dans le présent exposé, par l'expression fibres creuses, on désigne des fibres à forme tubulaire, ç'est-à-dire comportant en leur sein un canal continu disposé sensiblement selon l'axe de la fibre et exempt de matériau macromoléculaire. Les fibres creuses utilisables selon l'invention peuvent être de tout type connu, en particulier il peut s'agir des fibres mentionnées dans les brevets francais i 307 979, 1 586 563 et 2 0t7 387 et américain 3 674 628 ces fibres peuvent être homogènes ou microporeuses ou anisotropes (c'est à dire "à peaux)~ Elles peuvent ètre obtenues par voie fondue, par voie sèche (évaporation de solvant) ou par voie humide (coagulation) ; les filières mises en oeuvre sont en pratique des filières à secteur ou ayant un orifice en forme de couronne.Les fibres utilisables selon l'invention ont un diamètre extérieur généralement inférieur à I nin, de préférence inférieur à 0,6 mm et pouvant mêmc être compris entre 5 et îoe p. La nature précise des fibres creuses est choisie en fonction de l'application envisagée (osmose, ultrafiltration, perméation gazeuse, etc...). sous La pluralité de fibres creusesentionnEes a est habituellement disposée sous forme d'une nappe ou d'une superposition de plusieurs nappes ces nappes sont avantageusement constituées par un tissu ou un tricot. sous le cadre plein g tisonné p), contrairement aux cadres de l'art antérieur, ne comprend pas d'ouvertures périphériques ; il est habituellement constitué principalement d'au moins une masse durcie (de préférence de la colle solidifiée) dans laquelle sont noyées les extrémités des fibres creuses, sans cependant que ces extrémités soient obturées. Pour mieux faire comprendre la constitution des appareils selon l'invention1 différents aspects de ces appareils ainsi que des dispositifs intervenant dans leur construction ont été représentés sur les figures 1 à 7. Bien entendu ces représentations schématiques et sans échelle déterminée ont un caractère illustratif et non limitatif, et l'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en modifiant, adptant, complétant ou-supprimant des caractéristiques mineures. La figure 1 représente, en coupe, un appareil selon l'invention utilisable notamment en séparation ou mélange de fluides. Les indications de trajet de fluides ont cependant #été indiquées dans le cadre d'une utilisation comme appareil de séparation. La figure 2 est la représentation schématique, utilisée dans la figure i, des disques à fibres creuses selon l'invention, La figure 3 est une vue en perspective d'un de ces disques à fibres creuses. La figure 4 et 5 décrivent un mode de réalisation des disques à fibres creuses. La figure 6 représente# un tronçon d'appareil avec des chicanes, La figure 7 représente une hkicane. Plus spécifiquement l'appareil-de la figure 1 comprend une enceinte (1) cylindrique munie d'une tubulure (2) de sortie de fluide. Les disques à fibres creuses selon les figures 2 et 3 ont été représentés schématiquement par les nappes de fibres creuses (3) et le cadre (4) v ces disques sont empilés de sorte que l'ensemble des cadres (4) constitue une paroi cylindrique séparant les fluides circulant à lteatérieur des fibres creuses et sortant de l'inté- rieur de ces fibres ; bien entendu, pour que le séparation soit effective il faut que ces différents cadres soient en relation d'étanchéité, ce qui peut ventre réalisé soit par interposition entre deux disques d'un joint en forme de tore ou d'anneau plat, soit par collage de l'empilement ; les joints toriques (35) et (36) contribuent également à cette étanchéité. L'empilement de disques à fibres creuses est enserré entre deux plaques perforées (5) et (6), dont les perforations (7) permettent l'alimentation de l'appareil en fluide à l'extérieur des fibres creuses. Ces perforations (7) sont réparties sur toute la surface utile des plaques (5) et (6) de manière à ce que le fluide à traiter soit lui-m#rne réparti sur l'ensemble des fibres creuses. Un cylindre poreux, par exemple en métal fritté permet de contenir les cadres (4) en les aidant à résister à la pression. Ce cylindre (8) s'engage dans les plaques perforées (5) et (6) à l'aide de rainures (9) et (10). Les deux flasques (li) et (12) avec l'enceinte (2) constituant l'enveloppe de ltapparetl. Le flasque (il) est muni d'une tubulure (13), Le flasque (12) est muni d'une tubulure (1ss). Ces tubulures servent l'une à l'alimentation,' l'autre à l'évacuation du fluide à traiter. La cohésion de 1' ensemble de l'appareil est assurée par des tirants de contention dont-deux seulement (15) et (16) ont été représentés. Ces tirants figurés boulonnés, pourraient aussi entre rivés.Ils ont également un rôle dans l'étanchéité de l'appareil en maintenant les divers éléments bien plaqués les les uns g3r autres. Les joints plats (17) et (ive) assurent L'étanchéité entre d'une part les compartiments (19) et (20) et d'autre part l'extérieur de 11 appareil. Les joints toriques (21) et (22) assurent l'étanchéité entre le compartiment (23) de riception de perméat et l'extérieur de l'appareil. Selon une variante, le support poreux -c'est-à-dire le cylindre poreux (8) de l'appareil représenté à la figure i - est remplacé par un cylindre muni de perforatiorsassocié àune chemise en textile (tissu ou tricot) située entre le cylindre muni de perforations et l'empilement de cadres (4). Lorsque l'appareil est utilisé en séparation, le perméat s'coulant de l'intérieur des fibres creuses est drainé par la chemise de tissu puis traverse les perforations et est recueilli et évacué comme précédemment.Cette variante d'appareil selon l'invention a l'avantage d'être plus solide et plus économique que celle mettant en oeuvre des cylindres poreux. Lorsqu'on utilise un appareil tel que celui de la figure t dans une opération de séparation, le fluide à traiter entre par exemple par la tubulure (13) dans le compartiment (19) qui le répartit dans les différentes perforations (7) de la plaque (5). Ce fluide balaie les diverses fibres creuses selon une direction sensiblement perpendiculaire puis, après traitement ressort par les 'perforations (7) de la plaque (6) pour entre réuni dans le compartiment (20) et évacué par la tubulure (14). Le fluide ayant perméé à travers la paroi des fibres creuses (3) sort de ces fibres à travers les cadres (4), traverse le cylindre poreux (8) et est réuni dans le compartiment (23) pour êtrc ensuite évacué par la tubulure (2).Bien entendu, la pression régnant à l'extérieur des fibres creuses (cogpartiments (19) et (20) notamment) est s,,périeure à celle régnant à l'intérieur des fibres (compartiment (23)). Lorsqu'on utilise un appareil tel que celui de la figure I dans une opération de mélange, la différence essentielle d'avec ce qui précède est que la tubulure (2) est une tubulure d'admission de fluide, lequel fluide pénètre à l'intérieur des fibres creuses, permée à travers les parois de ces fibres et se mélange avec ltautre fluide circulant à l'extérieur des fibres creuses. Le balayage des fibres par le fluide à l'extérieur de ces fibres est particulièrement bon car ce fluide circule selon une direction sensiblement perpendiculaire à ces fibres. Toutefois pour certaines applications particulières on peut augmenter le temps de séjour du fluide extérieur aux fibres en contact avec ces fibres, en interposant des chicanes entre les disques à fibres creuses. Ces chicanes sont avantageusement constituées de disques plats éventuellement munis de perforations. La forme et le positionnement de ces perforations sont choisis en fonction de la circulation de fluide que l'on veut ~tabAir. On a représenté à la figure 6 un tronçon d'appareil selon la figure 1 mais muni de chicanes (32) (disques plats) à perforations ; une de ces chicanes (32) a été représentée en détail à la figure 7 : elle comprend unegrande échancrure (33) et une pluralité de perforations (34). Les flèches sur la figure 6 matérialisent les principales orientations du trajet de fluide circulant à ltexterieur des fibres creuses. L'appareil de la figure i muni de ses disques à fibres creuses est cylindrique ce qui a l'avantage d'offrir une meilleure résistance à la pression et de faciliter la fabrication de l'appareil. Toutefois, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant des appareils carrés, polygonaux, ovales ou autre, les disques à fibres creuses ayant la forme correspondante. La figure 2 reproduit simplement la partie de la figure i qui représente schématiquement un disque à fibres creuses selon 11 invention, ce disque lui-meme ayant été représenté avec plus de précisions à la figure 3. Le disque représente à la figure 3 est constitué de la nappe (3) de fibres creuses et du cadre circulaire (4), ce cadre étant généralement de la colle solidifiée ; comme colle à prise rapide on peut citer les cyanoacrylates d'alcoyle ; comme colle à prise lente on peut citer les résines époxy ; mais il ne s'agit là que d'une liste non limitative ; d'autres colles sont citées en partuculier dans le brevet français 1 307 989. Dans cette figure 3 les fibres creuses sont tissées et leurs extrémités (24) débouchent sur la périphérie du cadre, sensiblement au milieu de la paroi extérieure. Les figures 4 et 5 servent à illustrer un procédé de fabrication des disques à fibres creuses selon l'invention. Selon ce procédé on utilise au départ une nappe de fibres creuses (3) et un moule constitué d'un noyau (25) et d'un anneau (26). Ce moule peut titre en matériau souple et non adhfsif aux colles, par exemple oaeresine silicone ; il peut aussi être en métal recouvert de résine silicone. -Initialemsnt, selon la figure 4, le tissu de fibres creuses est placé sur le noyau du moule. On appliqua alors (figure ') l'anneau (26) du moule sur le tissu et sur le noyau (25). Il ressort de la figure 5 que l'anneau (26) et le noyau (25) du moule doivent entre tels que la paroi (27) interne de l'anneau et la paroi (28) externe du noyau ont un diamètre respectif tel que la nappe de fibres creuses soit simplement insérée entre ces deux parois, sans jeu mais sans écrasement. Lorsqu'on utilise un moule en silicone souple, l'anneau et le noyau peuvent provenir d'une même pièce qui a été simplement coupée circulairement, l'espace entre les parois (27) et (28) étant simplement obtenu grâce à l'élasticité du matériau utilisé. Le noyau (25) du moule comprend en outre une surépaisseur (29) dont l'utilité sera expliquée #i-après. L'anneau (26) et le noyau (25) sont enfin aménagés de façon à laisser un évidement circulaire (30) lorsqu'ils sont emboités. Lorsque l'anneau (26) du moule est appliqué sur le tissu (3) de fibres creuses, il s'emboite sur le noyau (25) (figure 5). On introduit alors de la colle selon les flèches (31), à la périphérie de la surépaisseur (29). Cette colle s'introduit dans la cavité (30) pour constituer, après durcissement le cadre (4). On comprend que la surépaisseur (29) a pour fonction d'empecher une remontée de colle vers la partie é- diane des fibres creuses, Par ailleurs, il est avantageux que l'espace entre les parois (27) et (28) soit réduit au minimum pour empêcher la colle de migrer à 11 extérieur du moule. La viscosité de la colle est également choisie de façon à ce qu'elle aille remplir la cavité (30) en migrant le moins possible vers I1 extérieur du moule ou vers la partie médiane des fibres creuses. Après durcissement de la colle, on déboite le moule et l'on sectionne (tranchage) les fibres creuses sur lc pourtour du cadre (4). Le même procédé peut Xetre mis en oeuvre en remplaçant la nappe de fibres creuses par une superposition de plusieurs nappes, par exemple 2 à 5 nappes de fibres creuses. On peut également utiliser une ou plusieurs nappes de fibres creuses associées à un support de renforcement tel que nappe de fils pleins ou grille es métal ou en polymère artificiel ou synthétique ; un tel support de renforcement permet d'éviter des déforartions excessives des nappes de fibres creuses. Dans les nappes de fibres creuses utilisées dans l'invention, une partie (de préférence moins de 10 %) des fibres creuses peut être remplacée par des fibres pleines en vue de renforcer lesdites nappes. Le corps des appareils de séparation selon 11 invention, clest-à- dire essentiellement l'enveloppe, peut être en tout matériau solide, rigide et étanche, notamment en métal ou de préférence en polymère synthétique. Les appareils selon l'invention ont l'avantage à la fois d'être de construction simple et d'assurer un bon contact entre les fibres creuses et le fluide circulant à l'extérieur de ces fibres. Ces appareils permettent en outre une utilisation avantageuse de fibres creuses ayant une perméabilité élev#e car la longueur de ces fibres ne doit pas être trop élevée pour qu'elles puissent fonctionner dans de bonnes conditions. REVENDICATIONS 1) Disques utilisables notamment dans les appareils séparateurs ou mélangeurs de fluides caractérisés en ce qu'ils comprennent a) une pluralité de fibres creuses entrelacées en nappe et ouvertes à leurs extrémités. b) Un cadre plein dans lequel sont noyées les extrémités des fibres creuses, lesdites fibres creuses débouchant librement à la périphérie desdits cadres, 2) Disques selon la reverriication t caractérisés en ce que les fibres sont sous forme d'une ou plusieurs nappes de tissu. 3) Disques selon la revendication 2 caractérisés en ce qu'ils comprennent en outre un support de renforcement de la ou les nappes. 4) Procédé de réalisation d'un disque selon l'une des revendications de I à 3 caractérisé en ce que l'on utilise un moule dont au moins la surface est en un matériau non adhésif à la colle devant constituer le cadre, ledit moule étant constitué d'un noyau et d'un anneau qui placés l'un sur l'autre délimitent un espace vide dont les dimensions correspondent à celles du cadre dudit disque à réaliser, que l'on place la pluralité de fibres creuses entre~ lacées en nappe entre le noyau et l'anneau, que l'on coule dans ltespace vide la colle devant constituer le cadre, cette colle étant encore à l'état liquide, qu'après durcissement de la colle on démoule l'ensemble obtenu, qt on crase la nappe de fibres sur le pourtour extérieur du cadre formé, 5) Appareil à fibres creuses utilisable notamment pour la séparation ou le mélange de fluides comprenant des moyens d'alimentation et de soutirage en un fluide circulant à l'extérieur des fibres creuses et des moyens de soutirage ou d'alimentation d'un fluide communiquant avec l'intérieur des fibres creuses, caractérisé en ce qu'il comprend a) un empilement étanche de disques selon l'une des revendications de 1 à 3. b) Une enveloppe étanche, délimitant une enceinte à l'intérieur de laquelle se trouve ledit empilement de disques, ladite enceinte étant séparée en deux parties, l'une communiquant seulement avec l'intérieur desdits disques et comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie pour un fluide, l'autre partie communiquant seulement avec la périphérie de l'empilement desdits disques et comportant un orifice pour un fluide. 6) Appareil selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte des chicanes insérées dans l'empilement des disques. 7) Appareil selon la revendication 5 ou la revendication 6, carac péris! en ce qu'il comporte un support poreux de renforcement de l'ensemble des cadres empilés. 8) Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le support poreux de renforcement est constitué par un cylindre perfore nssociS à une chemise intérieure en textile. 9) Appareil selon l'une des revendications 5 à 8,caracttrisé en ce qu'il comprend @@ des joints entre des cadres. 10) Appareil selon l'une des revendications de 5 à 9 caractérisé en ce qu'il comprend des joints entre les deux faces externes de l'empilement et l'enveloppe étanche. 11) Appareil selon l'une des revendications de 5 à 10 caractérisé en ce que l'enveloppe comporte une plaque perforée de répartition des fluides circulant à l'intérieur de l'empilement des disques. ~2) Utilisation d'un appareil selon l'une des revendications de 5 à il en ultrafiltration, osmose inverse, perméation gazeuse, conditionnement de gaz ou module de rein artificiel.