Brevet FR2464088A1 — publié le 19810306

L'invention concerne généralement le domaine de la séparation de phases gazeuses par passage de gaz à travers une membrane et, plus spécialement, la concentration de gaz choisis dans un mélange de gaz. Il est connu de séparer des gaz au moyen d'une membrane. Les brevets des E.U.A. NI 2 159 434 et 2 388 095 décrivent des appareils de séparation de gaz appliquant sous pression un mélange de gaz à une des faces d'une membrane semiperméable. La membrane permet le passage de l'un des gaz de préférence à un autre. Il est bien connu aussi que l'on peut ensuite traiter le gaz provenant d'un appareil de ce genre au moyen d'appareils semblables reliés en série pour concentrer davantage le gaz. Il est connu de rétrécir les appareils de séparation de ce genre. L'ouvrage Nuclear Chemical Engineering de Benedict et Pigford, page 391 (McGraw- Hill, New York, 1957) parle de rétrécir plusieurs appareils de séparation de gaz de ce genre qui sont reliés en cascade de manière à distribuer uniformément un débit de gaz à travers un système de séparation de gaz. Des systèmes rétrécis et en cascade sont décrits dans Introduction To Nuclear Engineerin, de Stephenson, pages 362 à 368 (McGraw-Hill, New York, 1958). L'article "Taperization of Ste"_Cascade for Uranium Enrichment by Gaseous Diffusion Process", de Higashi et Myamoto (Journal of Nuclear Science and Technology, janvier 1976, pages 30 à 34) parle aussi de cascade et de rétrécissement. L'établissement d'une cascade en vue du rétrécissement est aussi décrit dans Introduction to Nuclear Engineering, de Murray (George Allen, Unwin Ltd., Londres pages 68 à, 79). Le reflux à contre-courant est bien connu dans des procédés de distillation, d'extraction et d'absorption de gaz. Le reflux à contrecourant sans mélange en retour dans des appareils à diffusion de gaz est décrit par le brevet'des E.U.A. N' 3 144 313. L'appareil décrit dans ce brevet sépare un gaz choisi à partir d'un mélange de gaz au moyen d'une membrane qui a une grande vitesse de diffusion pour le gaz choisi. Le brevet cité décrit un appareil qui fonctionne à des températures relativement élevées (300 à 40000) et à des pressions relativement élevées (2,75 x 106 à 3,45 x 106 Pa) et qui utilise une membrane métallique. On connaît, par les brevets des E.U.A. N0 3 144 513 et 3 735 558, des appareils à diffusion de gaz utilisant comme membranes des fibres creuses ou des tubes pour séparer des chambres d'alimentation et de récupération. Les applications pratiques des appareils à diffusion de gaz sont nombreuses et variées. Elles comprennent l'enrichissement en oxygène pour la thérapie par inhalation, le traitement du gaz naturel pour le rende non corrosif, l'épuration des gaz de cheminée, l'enrichissement en azote pour la diminution des risques d'incendie, etc.. Dans la plupart de ces applications, l'économie et l'efficacité du fonction- nement ont une importance pour le succès commercial de ces appareils sur le marché. Il est désirable d'avoir des appareils qui fonctionnent à des tempéra- tures et à des pressions relativement basses et qui nécessitent un apport d'énergie relativement faible. Il est désirable d'avoir des appareils de séparation de gaz qui évitent de nombreux étages en cascade. Un but principal de l'invention est de concentrer un ou des gaz choisis dans un mélange de gaz. Un autre but est de concentrer un ou des gaz à des températures et à des pressions relativement basses. Un autre but est encore de concentrer un ou des gaz sans cascade. Un autre but est encore de maintenir un débit pratiquement homogène dans l'ensemble d'un sys- tème de séparation de gaz à reflux à contre-courant. L'invention a aussi pour but d'éliminer l'humidité d'un gaz. Ces buts, ainsi que d'autres, sont atteints par un dispositif pouvant fonctionner à la température ambiante de manière à modifier les concentrations relatives des constituants d'un mélange de fluides en mouvement dans le système. Le dispositif comprend au moins une cellule présentant des chambres séparées par une membrane semi-perméable. Les chambres commu- niquent de manière à causer un écoulement de reflux à contre-courant du mélange et à établir dans l'une des chambres une plus haute pression que dans l'autre. Les chambres ont une géométrie qui évite le mélange en retour et la membrane a une constante de perméabilité différente pour au moins deux des constituants du mélange. Le dispositif comprend aussi un moyen per- mettant de créer une différence de pression de part et d'autre de la membrane et au moins une entrée per- mettant d'amener le mélange dans le dispositif. Au moins une sortie est également incluse dans le système pour la récupération du mélange une fois que les concentrations relatives de ses constituants ont été modifiées. Le moyen de création d'une différence de pression peut créer toute différence de pression appropriée bien qu'une différence de pression inférieu- re à environ 3,45 x 105 Pa soit préférable. Le moyen de création d'une différence de pression entre les chambres peut consister en un détendeur placé dans la communication entre les cham- bres. Il peut aussi s'agir d'un mélange d'alimentation à pression relativement élevée ou d'un compresseur assurant la communication entre les chambres, ou de ces deux moyens à la fois. La sortie est placée dans le dispositif de manière à récupérer un mélange modifié contenant des quantités accrues soit du gaz le plus apte à la per- méation, soit du gaz le moins apte à la perméation, soit de tous les deux. L'entrée peut être placée en tout endroit approprié du dispositif mais elle est de préférence située en un point o la concentration des gaz dans le dispositif correspond à la concentra- tion des gaz dans le mélange d'entrée. Dans le dispositif de l'invention, fonction- nant à la température ambiante et à pression relative- ment basse, on peut utiliser toute matière appropriée pour membrane semiperméable. Des exemples de matières utiles sont l'acétate de cellulose, le poly- tétrafluoroéthylène, le triacétate de cellulose, l'acétate de cellulose/styrène, l'acétate/butyrate de cellulose, le polyméthacrylate de méthyle, le propionate de cellulose, le polypropylène, les résines d'époxyde, l'éthylcellulose, les copolymères éthylène/acétate de vinyle, la méthylcellulose, la nitrocellulose, le polychlorure de vinyle, le poly- acétate de vinyle, le caoutchouc nitrosé, les poly- amides, le polybutadiène, le polychlorure de vinyle, les copolymères butadiène/méthacrylate de méthyle, les copolymères butadiène/styrène, les polycarbonates, les résines de polydialkylsiloxane, les caoutchoucs de silicone, les copolymères éthylène/acrylonitrile, les copolymères éthylène-imine/vinylbutyral, le polyéthylène, les uréthannes de polyester, le poly- téréphtalate d'éthylène, etc.. Les silicones sont souvent préférables à cause de leur perméabilité et de leur inertie chimi- que relative. Une matière spécialement préférée est un copolymère & méthylstyrène/diméthylsiloxane (décrit dans le brevet des E.U.A. N 4 107 227) qui a beaucoup des caractéristiques de perméabilité du caoutchouc de silicones mais qui a des caractéristiques de façonnage et de manipulation typiques des matières plastiques. Dans le mode de réalisation préféré, la membrane est une fibre creuse. Une cellule peut 9tre formée de plusieurs unités modulaires reliées entre elles. Chacune de ces unités comprend des chambres séparées par une membrane. Dans le mode de réalisation préféré, les unités modu- laires sont reliées entre elles en une configuration rétrécie de manière à former un système dans lequel la vitesse de mouvement du mélange est prati- quement constante partout. La figure 1 montre schématiquement, en coupe, un système selon l'invention. La figure 2 montre schématiquement la surface relative de membrane nécessaire pour obtenir un écou- lement pratiquement uniforme dans le dispositif de la figure 1. La figure 3 montre schématiquement en coupe une disposition d'unités modulaires formant ensemble un mode de réalisation du dispositif de l'invention dont la surface de membrane est approximativement celle qu'indique la figure 2. Les figures 4 et 5 montrent des variantes du dispositif de l'invention. On considèrera plus spécialement la figure 1; elle montre un dispositif selon l'invention ser- vant à modifier les concentrations relatives des constituants d'un mélange de fluides se déplaçant dans le dispositif. Le dispositif comprend la cellule 1 munie d'une chambre à haute pression 2 et d'une chambre à basse pression 3 séparées par une membrane 4. Les chambres 2 et 3 communiquent par le détendeur à une extrémité et le compresseur 5 à l'autre. Chacune des chambres 2 et 3 présente une géométrie qui évite le mélange en retour d'un gaz parcourant le dispositif. Une telle limitation géomé- trique exige habituellement que les chambres aient une petite section transversale. Dans un mode de réa- lisation représentatif, par exemple, la cellule 1 est un faisceau de microfibres creuses entassées dans un tube, chacune ayant un diamètre intérieur de 0,239 mm et un diamètre extérieur de 0,610 mm. L'intérieur des microfibres forme la chambre 2 et la zone extérieure aux fibres, mais intérieure au tube, forme la chambre 3. Une entrée 6 permet à un mélange de gaz d'entrer dans le dispositif. L'entrée 6 peut 9tre une alimentation sous pression. L'alimentation sous pression crée une différence de pression de part et d'autre de la membrane, à l'aide du détendeur 25. L'entrée 6 peut 8tre située en n'importe quel point de l'un ou de l'autre côté de la cellule 1 mais, de préférence, elle est située à peu près au point o la concentration de gaz dans le mélange qui traverse le dispositif est à peu près égale à la concentration des gaz entrant dans le dispositif. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la différence de pression de part et d'autre de la membrane peut 9tre assurée par un compresseur 5 qui augmente la pression du gaz à mesure qu'il passe de la chambre 3 à la chambre 2. La sortie 7 destinée au mélange modifié 11 enrichi en gaz le moins apte à la perméation est située à une extrémité du système. Une sortie 8 est prévue aà l'autre extrémité du système pour recueillir le mélange modifié 12 enrichi en gaz le plus apte à la perméation. Plusieurs sorties, telles que 7 et 8, ou une seule sortie de ce genre, pourraient 9tre placées en n'importe quel point le long de l'un ou de l'autre c8té de la cellule pour recueillir tout mélange de gaz désiré. Dans le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 1, un mélange de gaz d'alimentation sous pression 9 entre dans le système par l'entrée 6 et parcourt le système dans le sens indiqué par les flèches. Des quantités du constituant le plus apte à la perméation 10, traversent la membrane 4 à mesure que le mélange 9 parcourt la chambre 2. Lorsque le mélange 9 approche de l'extrémité de la chambre 2, ses concentrations relatives en constituant le moins apte et le plus apte à la perméation se sont modifiées étant donné la perte de constituant le plus apte à la perméation 10. Un mélange modifié 11, qui a une concentration relativement faible en constituant 10, peut être récupéré à la-sortie 7. A mesure que le mélange 9 parcourt la chambre ), à contre-courant de son écoulement dans la chambre 2, il se charge de quantités supplémentaires de consti- tuant le plus apte à la perméation 10, de sorte qu'un mélange modifié 12 contenant une proportion relative- ment élevée du constituant le plus apte à la perméation peut 9tre recueilli à la sortie 8. Dans la plupart des opérations, le volume du courant gazeux recyclé à travers la cellule 1 peut dépasser considérablement celui du courant d'alimentation 9; toutefois, à l'état de régime permanent, le volume des mélanges modifiés 11 et 12 représente au total le volume du mélange d'alimentation 9. a On peut facilement voir qu'une telle configu- ration d'écoulement entraînerait normalement la pré- sence d'un plus grand volume de mélange 9 près de l'extrémité de compresseur de la cellule 1, o le gaz le plus apte à la perméation 10 tend à s'accumuler. Par exemple, dans un dispositif servant à concentrer l'oxygène dans l'air, de l'air comprimé (contenant 21,1% de 02) est introduit par l'entrée 6 à un débit d'environ 0,137 ml/s, sous une pression de 172,1 cm de Hg (le système fonctionne à une température d'en- viron 23,10C). A l'entrée 6, le mélange 9 qui se trouve déjà dans la cellule 1 s'écoule dans le sens indiqué par les flèches à un débit d'environ 0,093 ml/s. Au moment o le mélange 9 arrive à l'extré- mité de la chambre 2, à une distance de 2,11 m dans un faisceau de 35 microfibres creuses de caoutchouc de silicone, il a une pression de 171,5 cm de Hg seulement à cause du passage de 02 à travers la membrane 4. Le courant gazeux a seulement une concen- tration d'oxygène de 15,1% à l'extrémité de la chambre 2. On retire par la sortie 7, dans cet exemple, environ 0,0972 ml/s du mélange modifié, appauvri en oxygène (enrichi en azote). Aucune partie du courant gazeux ne passe par le détendeur 25, mais en un point de la chambre 3 qui est opposé à la vanne d'entrée 6, le débit de gaz est de 0,133 ml/s et la concentration de 02 est d'environ 25,9%. La pression dans la chambre 3 est de 75,92 cm de Hg. Au moment o le courant gazeux atteint l'extrémité de la chambre 3 (à une distance d'environ 4,24 m), il a un débit de 0,284 ml/s et une concen- tration d'oxygène modifiée d'environ 36,8%. On retire par la sortie 8 environ 0,0401 ml/s du mélange modifié 12, enrichi en oxygène et on réintroduit environ 0,244 ml/s dans la chambre 2 à une pression d'environ 172,6 cm de Hg. Etant donné que le gaz le plus apte à la perméation 10 (oxygène) passe à travers la membrane 4, le mélange 9 a une pression réduite d'environ 172,1 cm de Hg après avoir parcouru la distance de 2,13 m pour revenir à l'entrée 6. La figure 2 montre schématiquement une membrane en feuille 14 conçue pour correspondre à la variation du volume d'écoulement du mélange 9 à mesure qu'il circule à contre-courant dans la cellule 1 de la figure 1 de sorte qu'il existe un débit homogène. Lorsque le mélange 9 entre dans la chambre 2 par l'entrée 6, une grande quantité du constituant le plus apte à la perméation 10 passe à travers la membrane 4, augmentant le volume de la fraction du mélange 9 qui se trouve déjà dans la chambre 3. Le volume du mélange 9 diminue continuellement à mesure qu'il passe le long de la chambre 2 à cause du passage continuel de portions du constituant le plus apte à la perméation 10 à travers la membrane 4. La membrane en feuille 14 de la figure 2 a la structure voulue pour correspondre aux variations de volume du mélange 9 de manière à assurer un écou- lement pratiquement uniforme du mélange 9. Un dispositif selon l'invention peut 9tre construit de manière à correspondre à la forme de la membrane en feuille 14, avec une sortie destinée au mélange modifié 11 enrichi en constituant le moins apte à la perméation et une sortie 8 destinée au mélange modifié 12 enrichi en constituant le plus apte à la perméation. Toutefois, la construction d'un tel dispositif présente des difficultés pratiques et c'est pourquoi ce n'est pas un mode de- réalisation préféré. Ces diffi- cultés sont largement surmontées par le mode de réa- lisation représentatif représenté schématiquement par la figure 3. La cellule 15 est formée d'unités modulaires 16. Chaque unité 16 comprend une chambre à haute pres- sion 17 et une chambre à basse pression 18 séparées par une membrane 19. Les unités 16 sont reliées entre elles de manière à donner une surface de membrane et une configuration proches de ce que montre la figure 2, de sorte que le débit est pratiquement constant en toutes les parties de la cellule 15. Dans la cellule 15, on introduit un mélange de gaz par l'entrée 20. Il traverse les chambres 17 et 18 et la membrane 19 comme sur la figure 1. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le gaz se meut à une vitesse pratiquement uniforme dans tout le dispositif à cause de l'effet de rétrécissement assuré par la disposition des unités modulaires 16. Un mélange gazeux ayant une concentration modifiée de constituants peut être retiré à la sortie 21 (pour des mélanges ayant une concentration diminuée en constituant le plus apte à la perméation) ou à la sortie 22 (pour des mélanges ayant une concentration accrue en constituant le plus apte à la perméation). Le détendeur 23 et le compresseur 24 fonc- tionnent de la même façon que le détendeur 25 et le compresseur 5 de la figure 1. La figure 4 montre schématiquement en coupe un mode de réalisation de l'invention dans lequel on obtient la-différence de pression en amenant sous pression le mélange 27 par l'entrée 26; tandis que le mélange 27 traverse la chambre à haute pression 28 pour arriver au détendeur 29, le constituant le plus apte à la perméation 30 traverse la membrane semiperméable 31. Dans la chambre à basse pression 32, le constituant le plus apte à la perméation 30 rejoint le mélange 27 en un courant de reflux à contre- courant. On peut recueillir ou évacuer par la sortie 33 un mélange modifié 32 ayant une forte concentration du gaz le plus apte à la perméation. De façon simi- laire, dans ce mode de réalisation, on recueille à la sortie 35 un mélange modifié 34. Le mélange modi- fié 54 a été débarrassé d'une partie de sa concen- tration en gaz le plus apte à la perméation 30 et présente une concentration accrue en gaz le moins apte à la perméation. On considérera maintenant la figure 5 qui montre encore un autre mode de réalisation de l'in- vention. La différence de pression de part et d'autre de la membrane 56 est assurée par le compresseur 37 qui aspire vers l'intérieur de la chambre à basse pression 59 un mélange d'alimentation 38 (tel que de l'air) arrivant par l'entrée 41, augmente sa pression et le refoule, à contre-courant, dans la chambre à haute pression 40. Le constituant le plus apte à la perméation 42 du mélange 59 traverse la membrane 56 dans le sens indiqué par les flèches et l'écoulement à contre-courant du mélange 38 aboutit à un mélange modifié 43, enrichi en constituant le plus apte à la perméation. Le mélange modifié 43 peut 8tre recueilli à la sortie 44. Un mélange modifié 45, qui est habituellement considéré comme un résidu dans ce mode de réalisation, peut 8tre recueilli à la sortie 46. Il va de soi que des modifications peuvent 9tre apportées aux modes de réalisation qui viennent d'gtre décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif capable de modifier à la tem- pérature ambiante les concentrations relatives des constituants d'un mélange de fluides qui le parcourt, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) au moins une cellule présentant des chambres séparées par une membrane semi-perméable et qui communiquent de manière à causer un écoulement de reflux à contre-courant du mélange, et à établir une plus haute pression dans une chambre que dans l'autre, les chambres ayant une géométrie qui évite le mélange en retour et la membrane ayant une cons- tante de perméabilité différente pour au moins deux des constituants du mélange, - (b) des moyens de création d'une différence de pression de part et d'autre de la membrane, (c) au moins une entrée servant à amener le mélange dans le système,et (d) au moins une sortie permettant de récupé- rer le mélange une fois que les concentrations relatives de ses constituants ont été modifiées. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la communication entre les chambres comprend un détendeur. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule est formée de plu- sieurs unités modulaires reliées entre elles, chaque unité comprenant des chambres séparées par une membrane. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les unités sont reliées entre elles de manière à former une configuration rétrécie de sorte que la vitesse de mouvement est pratiquement constante dans tout le système.