Brevet FR2211274A1 — publié le 19740719

La présente invention, à la réalisation de laquelle a collaboré Monsieur Jacques BOURRON, concerne un appareil séparateur de fluides, notamment par osmose inverse ou par ultrafiltration, comprenant un enroulement membranaire en spirale autour d'un mandrin. On connait des appareils séparateurs ayant un enroulement membra- naire en spirale autour d'un mandrin, notamment par le brevet français t 462 578 et par l'article de OSBURN J. et KAMMERMEYER I. : "New Diffusion Oeil designa - Ind. Eng. Chemin. vol. 46 n 4, April 54 pages 739-742 .De tels appareils exigent, de par leur conceptions une enceinte, généralement métallique, à la périphérie de l'enroulement membranaire, pour supporter la pression d'utilisation En outre cette enceinte doit entre parfaitement étanche, car le fluide sous pression à traiter est en contact avec l'enceinte, arrivant dans l'appareil par une entrée située sur l'enceinte et sortant de l'appareil par une canalisation également située sur l'enceinte. Le fluide ayant traversé les membranes est évacué par le mandrin. Un but de la présente invention est un appareil qui ne présente pas les inconénients des appareils de l'art antérieur, notamment par le fait que le fluide à traiter sous pression ne se trouve à aucun moment au contact d'une enceinte extérieure, ce qui permet de disposer autour de l'enroulement mer- branaire une simple enveloppe de contention généralement en matière plastique armée. il a été trouvé, et ceci fait l'objet de la présente invention, un appareil séparateur, utilisable notamment en osmose inverse ou en ultrafil- tration, caractérisé en ce qu'il comprend un enroulement membranaire en spirale autour d'un mandrin creux, dont une extrémité est l'entrée du fluide à traiter et l'autre extrémité est la sortie du fluide traité, et en ce que au moins une tubulure est reliée à l'empilement membranaire pour l'évacuation du fluide ayant traversé la membrane. La description de la présente invention sera mieux comprise à l'aide des figures ci-jointes qui illustrent schématiquement, à titre d'exemples non limitatifs et sans échelle déterminée, des modes de réalisation d'un appareil selon l'invention. La figure j est une vue d'ensemble d'un appareil selon la présente invention, La figure 2 est une vue en coupe d'un mandrin auquel sont reliés certains éléments constituant ltenroulement membranaire déroulée La figure 3 est la coupe selon 111-111 de la figure 2. La figure 4 est la coupe selon IV-IV de la figure 26 La figure 5 est une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe d'enroulement de l'appareil de la figure 1 coupe se situant au niveau dtun orifice de passage du fluide entre l'enroulement membranaire et le mandrin, l'enroulement membranaire n'ayant été que partiellement représenté. La figure 6 montre-un mode de réalisation de l'extrémité de lten- roulement membranaire. La figure 7 montre un mode de réalisation de l'extrémité de lten- roulement membranaire. La figure 8 est une coupe selon VIII-VIII de la figure 7. Les figures 9 et D sont des variantes d'appareils selon l'inventiont Un appareil séparateur de fluide selon la présente invention est représenté figure je Cet appareil a une forme générale cylindrique et comprend un mandrin (1) creux dont pratiquement seules les extrémités (2) et (3) appa-raissent sur la figure 1.Par ces extrémités (2) et (3), qui peuvent wetre unies de moyens de raccordement avec des-tuyauteries extérieures, circule un fluide sous pression à l'intérieur de l'enroulement membranaire (4) dispose en spirale autour du mandrin (t)* Le fluide sous pression entre dans appareil par l'extrémité (2) et sort par l'extrémité (3), ou vice versa, (comme indiqué par les flèches) tandis que le fluide ayant traversé la membrane sort de l'appareil par la tubulure (5). Un appareil peut comporter plusieurs tubulures (5) pour l'échappement du fluide ayant traversé la mem brante. A 1' extérieur de l'appareil se trouve l'enveloppe de contention (i i). La figure 2 montre plus en détail le mandrin. Celui-ci comprend deux parties creuses (6 et 7) séparées de manière étanche par un bouchon t8). Dans la réalisation du mandrin de la figure 2, le bouchon (8) et les deux parties (6 et 7) sont soudés. Ces parties (6 et 7) constituant le mandrin sont avantageusement de forme tubulaire, tandis que le bouchon est de forme cylindrique. Le mandrin est muni de deux orifices latéraux (9 et sa) établissant des communications avec l'enroulement membranaire. Chacun de ces orifices (9 et 0) peut entre constitué de plusieurs trous disposés sur le mandrin sensiblement selon une génératrice ou par une fente comme représenté sur la figure. L'enroulement membranaire est représenté figure 2 de façon partielle et en vue développée, la membrane supposée transparente étant rep6rée par le trait mixte (34). La figure 3 montre de façon plus détaillée les éléments de l'enroulement membranaire, qui comprend une bande souple, étanche (12) dont une face (i3) est sensiblement plane tandis que l'autre comprend deux cuvettes (14) et (15) séparées par une languette centrale (j6Y ayant des rebords rabattables (17)* De chaque cssté de la bande (t2) se trouvent également des rebords rabattables (1B) Au fond des cuvettes (14) et (153 sont avantageusement prévues des rainures (19), parallèles entre elles, de drains ge du fluide ayant traversé la membrane (20) et un support poreux (21). Les bords de la bande (12) comportent avantageusement des surépaisseurs (22) et (23) assurant l'étanchéité entre deux spires consécutives de l'enroulement. Le début de l'enroulement membranaire sur le mandrin est représen- té figure 5. Dans ce mode de réalisation les cuvettes (14 et 15) de la bande La figure 4 montre un anode de réalisation de l'extrêmité de lten- roulement membranaire. Ce mode de réalisation résulte de l'assemblage repré- sente figure 6, Selon ce mode de réalisation on découpe en T selon le dessin, l'extrémité de la bande (A), puis on colle l'ensemble BC sur une bande auxIliaire (24), représentée en trait niixte, on l'adapte dans la découpe de A et on colle la bande (24) sur la face (13) de la bande souple (12). Les parties B et C sont découpées dans la bande (t2) elle-même.La bande auxiliaire (24) peut avoir des surépaisseurs latérales identiques à la surépaisseur (22) représentée figure 3 sur las bande (12). Sur la pièce B on découpe wn trou (25) pour le passage de la tubulure (5) dont le collet repose sur la bande auxiliaire (24) et dont la canalisation traverse cette dernière par le trou (26). Un autre mode de réalisation de l'extrémité de l'enroulement $mem branaire est représenté figures 7 et 8. L'extrémité de l'enroulement est réalisé en le découpant selon la figure (27) représentée en trait mixte. A4n le même emporte-pièce peut servir à découper successivement l'extrfémité de la bande (12) et la pièce d'extrémité (B) rapportée, qui est elle-même décou- pée dans la bande (12). Dans la pièce (B) est prévu un trou oblong (28) pour la récupération du fluide ayant traversé la membrane.La pièce (B) est co#ée sur une bande auxiliaire (24) qui remonte sur l'enroulement jusqu'à la ligne (29), cette bande (24) ayant un trou (30) pour le passage de la tubulure (5), La bande souple (t2) est généralement réalisée à partir d'une bande extrudée présentant une face plane (13) et dont l'autre face comporte comme il a été dit les cuvettes (i4) et (15) séparées par une languette centrale (16), ainsi que les rebords rabattables (fl). Dans ce cas la bande est découpée et assemblée comme précédemment mentionné. On peut aussi réaliser cette baade souple à partir d'une telle bande extrudée en la coupant à la longueur voulue puis en mettant en forme ses extrémités, par exemple par la technique du surmoulage de façon à obtenir la forme décrite précédemment. La bande auxiliaire (24) peut ne pas dépasser ltextrémité de la bande souple (ja) de l'enroulement membranaire, mais il-est parfois avantageux qu'elle fasse au moins un tour complet autour dudit enroulement. A l'extrémité de ladite bande auxiliaire (24) on colle une enveloppe de con tention (11) au moins selon une génératrice. Cette enveloppe (jj) doit présenter suffisamment de souplesse pour envelopper ltenroulement membranaire, une certaine rigidité pour que les génératrices de ltenveloppe soient sensiblement rectilignes et une résistance mCanique suffisante pour que 11 appareil puisse travailler a la pression désirée (par exemple de l'ordre de 25 à 30 bars), L'enveloppe de contention entoure complètement ltenroule- ment membranaire, elle est scellée sur elle-mme par exemple par collage. il est avantageux de recouvrir l'enveloppe extérieurement d'une couche de résiner de mtme que les deux citas (31 et 32) de l'appareil (voir figure f). Dans un appareil selon l'invention, le fluide a traiter entre par une des extrémités du mandrin et sort de ce dernier par l'autre extrémité après avoir parcouru l'enroulement mentranaire en spirale, d'abord du mandrin vers la partie la plus éloignée du mandrin, puis de cette derrière vers le mandrin. Dans le cas de la figure 2, les flèches indiquent le sens de circulation du liquide à traiter sous pression, l'enroulement membranaire ayant été développé0 Comme le montre plus précisément la figure S le fluide a traiter circule ainsi dans le passage (33) qui est situé dans chaque cavité (14) ou (15) entre la membrane (ai) et le cté (13) de la bande (12) de la spire adjacente. Un avantage de l'appareil selon la présente invention résulte du fait que la bande (i2) peut entre obtenue par extrusion et peut être stockée sur des rouleaux. Comme matériau pouvant constituer cette bande (12) on peut citer notamment un copolymère butadiène-s1rrène de caractéristiques classiques par exemple présentant une résistance à la rupture de 140 kg/cm2 et de dureté Shore de 40.Le support poreux (ai) peut également entre mis sur rouleau et ttre par exemple constitué par du papier filtre bakélisé ou par un élément filtrant non tissé, par exemple en polytéréphtalate d'éthylineglycol L'enl veloppe de contention peut être en une matière plastique armée par exemple de fibres de verre. Le mandrin est en métal ou en matière plastique telle que le Chlorure de polyvinyle Un appareil selon la présente invention peut ainsi entre obtenu directement par la rotation du mandrin, tandis que les éléments constitutifs de l'enroulement sont disposés sur des rouleaux.Les rebords (t7) et (i8) de la bande (12) obtenus par extrusion sont relevés par rapport au plan de la bande a la sortie de l'extrudeuse et ils sont rabattus (comme représenté figures 3 et 4) au moment du montage et de l'enroulement dc l'appareil. A titre de variantes, on peut remplacer les rainures (19) de la bande (12) de l'enroulement membranaire par une grille souple sur laquelle repose le support poreux (2 i), cette grille assurant la-circulation de l'osmosat au fond des cuvettes. Cette grille peut par exemple être obtenue à partir de deux nappes de fils de polyéthylène croisés et thermoscellês. Dans certains cas la membrane (20) peut ètre solidaire du support poreux (2 j), lorsqu'il s'agit par exemple d'un support poreux enduit sur une fsce par une couche d'un polymère. Four assurer une étanchéité rigoureuse, il est donc nécessaire de coller le support, par exemple sous les rebords (18) de la bande (12)* De nombreuses variantes de 11 appareil selon l'invention apparaitront au techniciens notamment celles représentées très schématiquement figures9 et 10 avec l'enroulement membranaire développ pour une compréhension plus aisée, les flèches indiquant le sens de circulation du fluide de balayage.Mais on ne sort pas de l'invention si l'on met en oeuvre un appareil séparateur de fluides, dans lequel le fluide à traiter sous pression (ou fluide de balayage) entre par l'une des extrémités du mandrin pour ressortir par l'extrémité opposée après avoir parcouru l'enroulement membranaire disposé en spirale autour du mandrin, tandis que le fluide ayant traversé la membrane sort par l'extérieur dudit enroulements L'appareil selon la présente invention peut entre utilisé pour des opérations d'osmose inverse, d'ultrafiltration ou de perméation gazeuse. A titre d'exemple on a réalisé un appareil conforme aux figures comportant une bande souple (12) en copolymère butadiène-styrène de résis tance à la rupture 140 k cm2 et de dureté Shore 40, de largeur totale 33 cm dont les cuvettes (14) et (15) ont chacune une largeur de 13,1 cm. La longueur totale de la bande souple est de 450 cm et les bords de la bande ont une épaisseur de 0,4 cm. Les bords rabattables (18) ont une largeur de 0,5 cm et une épaisseur de 0, j cm. L'épaisseur de la bande en fond de cuvette est de 0,25 cm. Le support poreux (21) est un papier bakélisé de 0,05 cm d'épais seur. Une bande auxiliaire (24) en acétate de cellulose de 0,1 cm d'épaisseur est collée selon ur génératrice à l'extrémité de la bande (12), fait un tour autour de l'enroulement membranaire et est collée ensuite sur elle-mme. Cette bande auxiliaire (24) est alors entourée par une bande de contention (11) en tissu de fibres de verre que l'on imprègne de résine époxy et qui fait plusieurs tours autour de la bande auxiliaire (24). Cet appareil est équipé d'une membrane (20) dissymétrique en polyaryléther/sulfone sulfone sulfonée décrite dans le français publié sous le certificat d'addition/n 2 079 699 et il peut être utilisé en osmose inverse. REVENDICATIONS i - Appareil séparateur de fluides} utilisable notamment en osmose inverse et en ultrafiltration, caractén.s' en ce qu'il comprend un enroulement membranaire en spirale autour d'un mandrin creux dont une extrémité est 1' entrée du fluide a traiter et l'autre extrémité est la sortie du fluide traité et en ce que au moins une tubulure est reliée à l'enroulement mem branaire pour l' Yacuation du fluide ayant traversé la membrane. 2 - Appareil selon la revendication i, caractérisé en ce que le mandrin creux est un tube qui comprend entre ses deux extrémités au moins un bouchon de part et d'autre duquel se trouve au moins un orifice, le premier pour le passage du fluide à traiter, du mandrin dans l'enroulement membranaire, le second pour le passage du fluide traité, de l'enroulement sembranaire dans le mandrin. 3 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enroulement membranaire autour du mandrin couvre les dits orifices et en ce que le circuit spiralé du fluide à traiter à l'intérieur dudit enroulement stétend du mandrin vers 1' extrémité de l'enroulement membranaire après que ledit fluide ait passé par l'orifice le plus proche d'une extrémité dudit mandrin, et en ce que le circuit spiralé du fluide à traiter va de 1' extré- mité de l'enroulement jusqu'au mandrin en passant par l'orifice le plus proche de l'autre extrémité dudit mandrin. 4 - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enroulement membranaire comprend une bande étanche souple dont la longueur correspond sensiblement à la longueur du mandrin et sur la longueur de laquelle, au moins sur la face en regard avec ledit mandrin sont prévues des cuvettes allongées dcbouchant dans les orifices du mandrin, lesdites cuvettes comportant au moins un support poreux et une membrane sur ce dernier. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que des rainures sont prévues dans le fond des cuvettes. 6 - Appareil selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'une grille est prévue dans le fond des cuvettes, sous le support poreux. 7 - Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caracterisé en ce que la bande étanche n des'rebords rabattables le long des cuvettes. 8 - Appareil selon la revendication 7, caractirislr: en ce que les rebords de la bande étanche sont rabattus sur le support poreux lors du montage de l'appareil