Brevet FR2295783A1 — publié le 19760723

L'invention se rapporte à des dispositifs destinés à séparer des fluides en mélange homogène au moyen d'une barrière à diffusion sélective. On connaît des dispositifs de séparation des constituants d'un mélange homogène de fluides qui utilisent les différences de vites- se de diffusion des constituants dans une barrière ou une colonne diffusante. En chromatographie les parcours de diffusion dans une colonne sont tels qu'en injectant à l'entrée une quantité finie du mélange homogène, les constituants progressant le long de la colonne avec des vitesses de diffusion différentes se répartissent en zones successives, en sorte qu'on peut les extraire séparément de la colonne. En séparation par diffusion gazeuse, on fait circuler le mélange le long des barrières diffusantes tubulaires, en sorte que le mélange qui traverse la barrière par diffusion est enrichi en constituants à plus grande vitesse de diffusion. On sait réaliser, par des procédés connus, des tissus épais et aérés constitués par des réseaux tridimensionnels de fils à vide interne prépondérant, c2est-à-dire que le volume réel occupé par les fils est inférieur à la moitié du volume total du tissu. Ces tissus ont des applications notamment dans la séparation de constituants de fluide hétérogènes par coalescence, captation ou en tratriements. La présente invention a pour objet essentiel l'application de tels tissus ou réseaux, ordonnés ou non, à la séparation des constituants d'un mélange homogène de fluides. Le demandeur a en effet découvert qu'un tel tissu exerce une action diffusante sur un fluide qui le traverse, et qu'un jet de fluide frappant avec une vitesse d'impact élevée une face de tissu perd sur une épaisseur relativement faible la majeure partie de son énergie cinétique initiale, tandis que le fluide diffuse latéralement dans le tissu, en sorte que la section du jet à la sortie du tissu est beaucoup plus grande qu'à l'entrée, et que la concentration relative des constituants du mélange homogène de fluide varie du centre à la périphérie de la section de sortie. En phase liquide on ne constate aucun rebond, et il est permis de penser qu'il en est de naême en phase gazeuse. En conséquence, l'invention propose un dispositif de séparation de fluides en mélange homogène au moyen d'une barrière diffusante, caractérisé en ce qu'il comporte, de part et d'autre d'une barrière constituée par un réseau tridimensionnel de fils à vidé interne prépondérant, un moyen d'injection adapté à projeter sur une face d'entrée de ladite barrière un jet dudit mélange avec une vitesse normale à ladite face d'entrée à l'intérieur d'une périphérie d'impact, et un moyen de collection avec au moins deux zones séparées par des lèvres suivant une périphérie correspondant à un égal parcours de diffusion latérale dans ladite barrière. Ainsi la concentration relative des constituants du mélange dans les fractions de fluide recueillies dans chacune des zones de collection sera variable suivant ces zones, la fraction recueillie dans une zone centrale étant enrichie en constituant à plus faible diffusivité, et les zones latérales successives étant enrichies successivement en constituant à diffusivité croissante. De préférence la barrière est constituée par un tissu épais et aéré comportant une pluralité de nappes de fils de channe liés par une pluralité correspondante de niveaux de fil de trame. De préférence également le moyen d'injection comporte une pompe et une buse d'injection avec un axe de symétrie normal à la face d'entrée de la barrière, et les lèvres du moyen de collection ont une périphérie homothétique de la périphérie d'impact, et coaxiale à celle-ci. La buse peut être un tube à section intérieure circulaire, et la barrière comporte au moins une portion' en cylindre circulaire droit coaxial à ladite buse. Les dispositifs de séparation précités peuvent être groupés en un ensemble comprenant une multiplicité de cellules de séparation en cascade, chacune constituée par au moins un dispositif de séparation selon l'invention avec deux zones de collection. Suivant cette disposition l'enrichissement successif dans les étages de la cascade conduit à un taux de séparation accru des constituants. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une coupe d'un dispositif selon l'invention ; la figure 2 est une coupe d'une variante de dispositif selon 11 invention ; la figure 3 représente schématiquement un ensemble de dispositifs montés en cascade. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, un corps 1 en forme de cloche contient à sa partie supérieure une barrière 10, ayant une forme de cylindre droit et constituée d'un tissu épais et aéré tissé en réseau tridimensionnel comportant une pluralité de nappes de fils de chatne liés par une pluralité correspondante de niveaux de fils de trame, en sorte que le vide interne du tissu avoisine 75 %, cSest-à-dire que le volume réel occupé par les fils de channe et de trame est de l'ordre de 25 % du volume de la barrière. Perpendiculairement à la face supérieure de la barrière 10, ou face d'entrée 10a, une buse 12 de section interne circulaire, injecte un mélange homogène de fluide débité à grande vitesse par une pompe 20.Au voisinage de la face lOb de la barrière 10, à l'opposé de la face d'entrée 10a, une lèvre circulaire 18 terminant une tubulure 17 coaxiale à la buse 12 et à la barrière 10 divise 11 intérieur du corps 1 en deux zones de collection, une zone centrale 16 et une zone périphérique 14. La tubulure 17 sert d'évacuation à la zone centrale 16, tandis qu'une tubulure 15 débouchant latéralement dans la zone périphérique 14, sert d'évacuation à cette zone périphérique 14. Le mélange homogène de fluide, mis en mouvement à grande vitesse par la pompe 20 débouche de la buse 12 sous forme d'un jet cylindrique et vient frapper la face d'entrée loa de la barrière 10 à l'intérieur d'une périphérie circulaire d'impact. Les constituants du mélange perdent une majeure partie de leur énergie cinétique d'impact en traversant la barrière 10, et diffusent latéralement dans cette barrière. Les parcours latéraux de diffusion effectués conjointement à la progression parallèlement à l'axe des constituants È travers la barrière 10 sont fonction de la diffusivité de ces constituants dans cette barrière, si bien que la concentration relative du mélange en constituants à plus grande diffusivité sera une fonction croissante du parcours latéral de diffusion. Avec une périphérie circulaire d'impact, les lieux d'égale concentration relative du mélange en sortie sur la face lOb seront également des cercles. La périphérie de la lèvre 18 cofncidant avec un de ces cercles d'égale concentration relative, les concentrations relatives moyennes du mélange émergeant de la barrière respectivement dans les zones de collection 14 et 16 seront donc différentes. Le dispositif de séparation représenté figure 2 diffère du dispositif de la figure I en ce que la barrière est en doigt de gant, avec un fond cylindrique 10 et une chemise tubulaire Il. La buse d'injection 12 débouche à proximité de la face d'entrée lOa du fond 10. La zone centrale 16 de collection limitée par la lèvre circulaire 18 est située en face de la buse d'injection 12, tandis que la zone latérale de collection 14 est à la périphérie de la surface périphérique extérieure îlb de la chemise 11. Cette disposition est plus compacte que la disposition de la figure 1 et permet des parcours de diffusion plus étendus. L'ensemble de séparation par diffusion schématisé figure 3 est constitué par un assemblage en cascade de dispositifs séparateurs selon l'invention. A la suite d'un séparateur de tête 100 avec une entrée d'injection 112, une sortie de zone centrale 117 et une sortie de zone périphérique 115, se trouvent deux lignes de séparateurs, une première ligne comprenant les séparateurs 300, 500 et 700, et une seconde ligne 210, 410 et 610. La première ligne correspond à l'enrichissement en constituant à plus faible diffusivité, et les sorties 117, 317, 517 sont reliées respectivement aux entrées 312, 512 et 712, tandis que les sorties 315, 515 et 715 sont reliées en retour respectivement aux entrées 112, 312 et 512.De façon analogue dans la seconde ligne correspondant à l'enrichissement en constituant à plus grande diffusivité, les sorties 115, 215 et 415 sont reliées respectivement aux entrées 212, 412 et 612, tandis que les sorties 217, 417 et 617 sont reliées en retour respectivement aux entrées 112, 212 et 412. Dans la première ligne, en flux direct le mélange s'enrichit progressivement en constituant à moindre diffusivité et sort concentré en 717, tandis que les flux de retour appauvris en ce constituant reviennent progressivement en tête. Dans la seconde ligne, en flux direct le mélange s'enrichit progressivement en constituant à plus grande diffusivité et sort concentré en 615, tandis que les flux de retour appauvris en ce constituant reviennent progressivement en tête. Il est à remarquer que le mélange dans un flux de retour tel que 515 est réinjecté dans la ligne en un point (312) où la composition du mélange est semblable, puisque le mélange a subi un enrichissement (en 300) suivi d'un appauvrissement (en 500). Il est d'ailleurs évident que les première et seconde lignes pourraient être prolongées en cascades avec un nombre d'étage supérieur pour obtenir un taux de séparation supérieur. Les dispositifs de séparation selon l'invention sont applicables aux séparations des constituants de mélanges de liquide miscibles, aussi bien qu'aux séparations de gaz. L'invention n'est pas bien entendu limitée aux exemples décrits et est susceptible de nombreuses variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Ainsi les dispositifs'de séparation selon l'invention pourraient comporter plus de deux zones de collection pour séparer les constituants d'un mélange comprenant plus de deux fluides à diffusivité différente. Les barrières pourraient être constituées de feutres de fil aussi bien que de réseau tridimensionnel ordonné. Les fils peuvent être métalliques ou textiles, naturels ou artificiels, et la nature de ces fils peut être choisie pour être neutre vis-à-vis des constituants du mélange, ou pour présenter une affinité particulière pour un constituant du mélange de fluide. REVE ND I CAT IONS lt Dispositif destiné à la séparation de fluides en mélange homogène au moyen d'une barrière à diffusivité sélective, caractérisé en ce qu'il comporte, de part et d'autre d'une barrière constituée par un réseau tridimensionnel de fils à vide interne prépondérant, un moyen d'injection adapté à projeter sur une face d'entrée de ladite barrière un jet dudit mélange avec une vitesse normale à ladite face d'entrée à l'intérieur d'une périphérie d'impact, et un moyen de collection avec au moins deux zones de collection séparées par des lèvres suivant une périphérie correspondant à un égal parcours de diffusion latérale dans ladite barrière. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite barrière est constituée par un tissu épais et aéré comportant une pluralité de nappes de fils de channe liés par une pluralité correspondante de niveaux de fils de trame. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que,ledit moyen d'injection comportant une pompe et une buse d'injection avec un axe de symétrie normal à la face d'entrée de la barrière, lesdites lèvres du moyen de collection ont une périphérie homothétique de la périphérie d'impact, et coaxiale à celle-ci. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite buse étant un tube à section intérieure circulaire, ladite barrière comporte au moins une portion en cylindre circulaire droit coaxial à ladite buse. 5. Ensemble de séparation de fluides en mélange homogène comprenant une multiplicité d'étages de séparation par diffusion montés en cascade, caractérisé en ce que chacun des étages de séparation est constitué par au moins un dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, avec deux zones de collection.