Brevet FR2276854A1 — publié le 19760130

La présente invention, à la réalisation de laquelle ont collaboré Messieurs Clause BARDONNET, Robent BRUN et Hichel PAGES, concerne un appareil à membranes tubulaires pour le traitement de fluides. De tels appareils sont susceptibles titre utilisés, soit comme échangeurs entre deux fluides, soit comme séparateurs de fluides, liquides ou gazeux, dans diverses applications telles que l'osmose inverse, l'ultrafiltration, la perméation gazeuse, la dialyse. La présente invention a pour objet des appareils de montage aisé, de fiabilité et de compacité élevées, offrant aux fluides de bonnes conlitions d'écoulement hydrodynamique au contact des membranes, afin d'obtenir une bonne efficacité. I1 a été trouvé un appareil à membranes tubulaires pour le trai tement da fluides, comportant au moins un élément support de membrane tubulaire disposé a l'intérieur d'une enveloppe et relié à celle-ci de manière étanche, des moyens pour l'introduction et/ou 11 évacuation d'un fluide à ltintêrieur de ladite enveloppe et à l'extérieur dudit élément et des moyens pour relier l'intérieur dudit élément & l'extérieur dudit appareil.Cet appareil est carectérisé en ce que ledit élément est constitué par un conduit po re-x continu, muni d'au moins un canal longitudinal, couvert d'une membrane perméable aux fluides et replié au moins deux fois sur lui-même dans l'espace compris à l'intérieur de ladite enveloppe. La comprhension de l'invention sera facilité par les figures ci-jointes qui illustrent à titre d'exesples, schématiquement et sans échelle déterminée, divers mode de réalisation. La figure j est la vue en coupe selon un plan axial d'un premier mode de réalisation de l'appareil selon 11 invention. La figure 2 est la vue en coupe selon un plan axial d'un second mode de réalisation de #'appareil selon l'invention. La figure 3 est la vue en coupe selon un plan axial d'un troisième mode de réalisation de l'appareil selon l'invention. En se référant à la figure 1, l'appareil comprend des éléments supports de membrane (j) et (2) disposés à l'intérieur d'une enveloppe (3). Pour plus de clarté, seuls deux éléments (i) et (2) ont été représentés, mais il est évident qu'en général chaque appareil peut comporter un grand nombre de tels éléments. Les extrémités de ces éléments traversent la cloison (4),de préférence amovible, constituant une partie de l'enveloppe (3). Pour qu'aucun fluide ne puisse traverser la cloison (4) entre celle-ci et les éléments (i) et (2), on assure l'étanchéité entre ces éléments et la cloison (4) par tous moyens connus, par exemple à l'aide de joints appropriés. Avantageusement on scelle les extrémités de ces éléments dans la cloison (4) à l'aide d'une résine époxy. L'enveloppe (3) est munie le deux orifices (5) et (6) éloignés l'un de l'autre, pour l'introduction et/ou l'évacuation d'un fluide (liquide ou gazeux) pouvant circuler a l'intérieur de l'enveloppe (3) et à l'extérieur des éléments (i) et (2). Les extrémités des éléments (1) et (2) débouchent dans une enceinte (7) délimitée par un couvercle (8) muni d'un orifice (9) qui fait communiquer l'enceinte (7) avec l'extérieur de l'appareil. Ce couvercle est fixé sur l'enveloppe (3) par tous moyens connus tels que boulons et écrous (non représentés). Chaque élément support de membrane tel que (1) ou (2) est constitué par un conduit continu poreux, c'est-h-dire présentant une paroi perméable aux fluides. Ce conduit est muni d'au moins un canal longitudi#l, généralement un canal axial qui s' détend librement entre ses deux extrémités et qui débouche au moins a l'une de ses extrémités. il est couvert, de préférence extérieurement, d'une membrane perméable aux fluides sélectivement ou non.Cet élément est disposé entièrement dans l'espace compris à l'inté- rieur de l'enveloppe1 il est replié au moins deux fois sur lui-même et avantageusement plusieurs dizaines de fois, de façon à former un faisceau constitué de plusieurs tronçons longitudinaux, généralement sensiblement parallèles entre eux et éventuellement parallèles à l'axe de l'appareil et reliés entre eux par des parties coudées. Le fonctionnement de l'appareil de type séparateur représenté figure 1 est le suivant. Le fluide à traiter, par exemple un liquide à séparer par ultrafiltration en deux fractions, concentrat et ultrafiltrat, pénètre par l'orifice (5) dunes l'enveloppe (3). Il remplit l'espace compris à l'intérieur de cette enveloppe et à l'extérieur des éléments (i) et (2). Des moyens connus (non représentés) maintiennent le liquide sous pression à l'intérieur de l'enveloppe (3). Sous l'effet de cette pression une partie de ce liquide constituant l'ultrafiltrat traverse la membrane couvrant les éléments (1) et (2), la paroi poreuse de ces éléments et atteint le canal longitudinal qu'il suit jusqu'S son dzbouche dans l'enceinte (7).L'ultrafiltrat se rassemble dans cette enceinte et est évacué par l'orifice (9). Le concentrat n'ayant pas traversé la membrane est évacué par l'orifice (6). Selon l'invention on peut construire ainsi des appareils de grande compacité, c'est-à-dire présentant un rapport élevé : surface de membrane sur volume d'appareil. Dans ces appareils la cloison (4) n'est traversée que par un très petit nombre d'éléments (1) ou (2). Grâce à cette lisposition, la construction de l'appareil est grandement facilitée et les zones où l'étanchéité doit être assurée sont considérablement réduites, ce qui leur confère une fiabilité accrue. En outre cette construction est très économique et ceci d'autant plus que l'on utilise des membranes tubulaires de plus grande longueur unitaire, c'est-à-dire qu'il y a moins de scellements a réaliser. Cependant, dans les cas où les éléments tubulaires évacuent le fluide ayant traversé les membranes par le canal longitudinal, la longueur utile de ces éléments est limitée par leur longueur critique que l'on peut calculer selon les règles de l'art, en fonction de la capacité d'écoulement du canal. Les appareils munis de cordonnets rectilignes ouverts à leurs deux extrémités comportent nécessairement deux cloisons telles que (4) alors que les appareils selon l'invention peuvent n'en comporter qu'une seule, ce qui constitue une simplification et une économie supplémentaires. Par ailleurs, la compacité élevée de l'appareil permet de supprimer les zones mortes à l'intérieur de l'enveloppe. La circulation lu fluide dans cette enveloppe et à l'extérieur des éléments (i) et (2) est ainsi forcée d'une façon à peu près uniforme dans les interstices restant libres entre ces éléments. Il en r~sulte généralement des écoulements turbulents à des vitesses relativement élevées au niveau des membranes couvrant ces éléments, ce qui accroSt sensiblement l'efficacité de l'appareil. Avantageusement, les éléments (1) et (2).sont repliés sur euxmêmes à une faible distance des fonds de l'enveloppe (3) de manière à dégager les zones intérieures à l'enveloppe (3) où débouchent les orifices (5) et (6), ce qui permet à la fois une diffusion et une collecte aisées, rapides et uniformes du fluide circulant à l'intérieur -le l'enveloppe. L'élément support de membrane peut cotre construit en divers maté- riaux poreux, par exemple en fibres de verre,liés par une résine et pliés par chauffage. Il peut entre aussi constitué par das tubes ou des profilés nervl- rés en thermoplastiques poreux ou perforés, également pliés par chauffage. Les profilés peuvent être recouverts de matériaux poreux constitués par exemple par des bandes en tissu, en papier ou en non tissé, enroulées hélicotda- lement. Avantageusement, l'élément support de membrane est constitué par une gaine textile formant par exemple un cordonnet. De tels cordonnets sont décrits notammant dans le brevet français n0 72.16t07 ; ils sont avantageu- sement creux comme dans le brevet français n0 72.27743. On préfère toutefois utiliser des cordonnets à la fois creux et souples; tels que-décrits dans le brevet français n0 73.17325, ce qui permet en particulier de les couder très facilement. Ces éléments ont une section droite généralement sensiblement circulaire et leur diamètre extérieur est le plus souvent compris entre 1 et 10 mm. Ils comportent au moins un canal longitulinal ouvert de préférence i ses leux extrémités. De tels éléments forment des flisceaux constitués le plusieurs tronçons successifs reliés entre eux par les couçles, Ces tronçons sont gené- ralement rectilignes, sensiblement parallaxes entre eux et contigus. Ils peuvent être aussi torsadés ou bobinés autour l'un mandrin pouvant constituer ensuite un corps mort. Ils peuvent être également enveloppés par un filet ou par une gaine élastique, étanche ou non, pour faciliter éventuellement leur maintien ou leur mise en place. La figure 2 illustre très schématiquement un autre mode de réa- lisation de l'appareil selon l'invention, Il s'agit d'un appareil muni de 4orifices 10, 11, 12, 13, utilisable par exemple comme échangeur. Un premier fluide pénètre dans l'appareil par l'orifice 13, remplit l'enceinte le dis- tribution 14, circule à l'intérieur es éléments tubulaires 15 et 15, se rassemble dans l'enceinte collectrice 17 et est évacué par l'orifice 11. Un second fluide pénètre dans l'appareil par l'orifice 10, circule N l'extérieur des éléments 15 et 16 et est évacué par l'orifice 12.Les échanges entre ces deux fluides ont lieu N l'intérieur le l'appareil N travers les membranes supportées par les éléments 15 et lo. L'enveloppe à lint.rieur de laquelle sont disposés les éléments 15 et 16 est constituée par la paroi latérale 18 de l'appareil et par deux cloisons transversales amovibles 19 et 20. Les éléments 15 et 16 sont repliés plusieurs fois sur eux-mêmes dans l'espace compris entre les deux cloisons 19 et 20 et chacune de leurs extrémités est reliée de manière étanche à l'une de ces cloisons. Pour cela il est avantageux d'introduire à l'intérieur d'une douille 21 l'extrémité d'un ou le préférence de plusieurs éléments, tels que 15 ou 16. On scelle de manière étanche l'extrémité de ces éléments N l'intérieur de la douille, par exemple N l'aile l'une résine époxy ou l'un élasto- mère silicone, puis on introluit la louille 21 lans un orifice le la cloison 19 prévu N cet effet jusqu'N ce qu'elle prenne appui sur la cloison par un épaulement.Un joint torique (non représenté) assure l'étanchéité entre la douille 21 et la cloison 19. Gatte disposition facilite le montage et le dé- montage de l'appareil, les éléments 15 et 16 étant ainsi amovibles. La figure 3 illustre à titre de variante un autre mode le réalisation de l'appareil selon l'invention. Les deux extrémités l'un même élément support de membrane tubulaire sont reliées a une mêmc cloison et débouchent dans une même enceinte. Mais ces éléments sont alternativement reliés a l'une ou h l'autre des 'deux enceintes 22 et 23. Un tel appareil peut fonctionner soit en séparateur, soit en échangeur. Naturellement, bien d'autres variantes de réalisation apparaitront au technicien, sans sortir du cadre de la présente invention. Les éléments supports de membrue sont revêtus de membranes perméables aux fluides, qui, de préférence, adhèrent 4 leurs supports. Ces membranes sont généralement semi-perméables, c' est-N-dire sêlectivement perméables aux différents constituants des fluides. Ces membranes peuvent être du type homogène (ou dense), microporeux, anisotrope (a porosité variable ou a peau), ou encore composite, c'est-à-dire constituées de plusieurs couches de natures chimiques différentes.Ces divers types de membranes peuvent être obtenus par des procédés connus comme la coulée d'une solution suivie dtévaporation du solvant/#ue coagulation Comme membrane, on peut employer toute membrane qui, conservée à l'état sec ou humide, possède un taux d'allongement a la rupture suffisant pour lui permettre d'épouser sans se roïnpre les rayons de courbure minima imposés a l'élément support.Par exemple, on peut employer pour l'osmose inverse des membranes à base d'acétate de cellulose telles que définies dans le brevet français n0 I 426 548, ou desmembranes échangeuses d'ions en poly aryléthersulfones sulfonées selon le brevet américain n0 3 709 841 ; pour l'ultrafiltration des membranes en polyacrylonitrile selon le brevet belge n0 772 361, ou des membranes bi-ioniques à base de polyèlectrolytes complexes selon le brevet français publié sous le numéro 2 144 922 et pour la perméation gazeuse, des membranes a base d'élastomères silicones ou le chlorure de polyvinyle microporeux. Les appareils selon l'invention permettent d'effectuer des op & rations l'échange (dialyse,osmose indirecte, échanges liquide-gaz, échanges gaz-gaz), des opérations de séparation le fluides (ultrafiltration, osmose inverse, perméation gazeuse) et même des opérations de mélange. Ces opérations peuvent bien entendu constituer des opérations de mélange. Ces appareils conviennent aussi pour d'autres applications d'échange usuelles telles que l'échange thermique entre deux fluides, l'humidification et/ou le conditionnement d'air, la dissolution de certains gaz dans des liquides. Exemple On construit un appareil d'osmose inverse selon la figure 1, comportant 3 faisceaux de cordonnets supports de membrane comprenant chacun 23 cordonnets de 40 mètres coudés trente fois sur euxqnEmes, représentant une surface utile de membrane de 20,3 m2 et 136 scellements d'extrémités de cordonnets. Les cordonnets sont constitués par une gaine textile creuse et souple, tressée en fils de polyéthylène, de diamètre extérieur 2,5 mm brut, traitée thermiquement selon le brevet français n0 73.17325. On les recouvre d'une membrane formée "in situ" par dépôt d'un collodion à base d'acétate de cellulose, en opérant selon les techniques décrites dans les brevets français n0 1 426 548 et 1 506 402. On introduit l'extrémité ouverte des cordonnets dans un joint en élastomère silicone à l'intérieur des douilles montées de manière étanche sur des plaques, formant avec l'enveloppe extérieure cylindrique de l'appareil une enceinte fermée. On établit à l'intérieur de cette enceinte une circulation d'eau brute sous pression et l'on recueille aux extrémités ouvertes des cordonnets l'eau pure qui a traversé les membranes par osmose inverse. A titre de comparaison, un appareil constitué des mimes éléments mécaniques (enveloppe, plaques, douilles), mais muni selon le brevet français n0 70.15t46 de 36 tubes rectilignes, n'atteint qu'une surface utile de membrane de 2,9 12. Et un appareil constitué toujours des mimes éléments mécaniques, mais muni de faisceaux parallèles de cordonnets rectilignes,n'atteint qu'une surface utile de membrane de 8 m2 pour 1368 scellements d'extrémités de cordonnets. Ces comparaisons mettent bien en évidence le gain de compacité et la diminution du nombre de scellements que procure l'appareil selon l'invention. REVENDICATIONS I) Appareil à membranes tubulaires pour le traitement de fluides, comportant au moins un élément support,de membrane tubulaire disposé à l'intérieur d'une enveloppe et relié à celle-ci de manière étanche, des moyens pour l'introduction et/ou l'évacuation d'un fluide à l'intérieur de ladite enveloppe et à l'extérieur dudit élément et des moyens pour relier l'intérieur dudit élément à l'extérieur dudit appareil, caractérisé en ce que ledit élément est constitué par un conduit poreux continu, muni d'au moins un canal longitudiral, court d'une membrane perméable aux fluides et replié au moins deux fois sur lui même dans l'espace compris à l'intérieur de ladite enveloppe. 2) Appareil selon la reveadication t, caractérisé en ce quecla membrane couvre extérieurement ledit élément. 3) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que ledit conduit poreux est constitué par une gaine textile. 4) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément est souple. 5) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément a une section sensiblement circulaire et que son diamètre extérieur est compris entre 1 et 10 n. 6) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément est ouvert à ses deux extrémités. 7) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément forme un faisceau constitué de tronçons successifs rectiliqnes, sensiblement parallèles, reliés par des boucles. 8) Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits tronçons sont contigus. 9) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes > caractérisé en ce que les deux extrémités d'au moins un élément support de menF brane débouchent à l'intérieur de L'appareil dans une même enceinte munie d'lu moins un orifice la reliant à l'extérieur. 10) Appareil selon l'une quelconque des revendications t à 8, ca- ractérisé en ce que les deux extrémités des éléments supports de membrane débouchent à l'intérieur de l'appareil dans deux enceintes distinctes reliées chacune à l'extérieur par au moins un orifice, les extrémités d'un mcme élément étant reliées à u:#a même enceinte. 1t) Appareil selon l'une quelconque des revendications t à 8, ca ractérisé en ce que les deux extrémités d'au moins un élément support de membrane débouchent à l'intérieur de L'appareil dans deux enceintes distinctes re- liées Chacune à l1extérieur par au moins un orifice.