Brevet FR2511260A1 — publié le 19830218

L'invention concerne la séparation des mélanges gazeux et liquides par processus de diffusion à l'aide des membranes sélectives en polymères et, a notamment pour objet l'élément à membranes pour séparation des mélanges gazeux et liquides et les appareils à membranes utilisant ledit élément. L'invention peut être utilisée avec plus de succes dans les industries ##iques, du gaz, pétrolière, des instruments médicaux et autres, pour des processus tels que : enrichissement de l'air par l'oxygène, extraction de l'hélium et de l'hydrogène depuis les mélanges gazeux, dessalage des eaux, ainsi que pour la séparation des mélanges gazeux et liquides les plus divers. L'air, enrichi par l'oxygène dans les appareils à membranes, peut être largement employé dans des établissements médicaux, pour l'intensification des processus chimiques etc. A présent, les appareils à membranes trouvent des larges applications pour la réalisation des processus susmentionnés. On cherche à augmenter l'efficacité de séparation des rn#langes, à Simplifier la technologie de fabrication des rnareils à membranes et des élémentsutilisés dans ces annarelis, de rrane qu't faire accroître leur durée de service. On connait toute une série d'éléments à membranes, destinés à la séparation des mélanges gazeux et liquides et, proches, d'après leur caractéristique technique, de l'invention proposée. L'un des éléments à membranes connus est l'élément du type à rouleau (cf. le livre Yu.I. Datynsky "Processus de séparation des mélanges liquides à l'aide des membranes", Editions "Chimie", Moscou, 1975, pages 64-65). L'élément connu se constitue de deux membranes, séparées par une plaque poreuse flexible et par une tôle on dulée. L'élément est enroulé, en hélice, sur un tube ayant des fentes longitudinales. Toutefois, la séparation des mélanges par cet élément n'est pas efficace, à cause d'une grande résistance hydraulique au flux du mélange pénétrant. En outre, sa fabrication est difficile. Les appareils à membranes à cadres plats (du type filtre-presse) ont trouvé un large éventail d'applications dans l'industrie, pour la séparation des mélanges gazeux et liquides. L'un de ces éléments se compose de deux membranes planes, isolées l'une de l'autre par des plaques en matériau fibreux ou poreux (par exemple, en papier filtre). Ces plaques servent d'appui pour les membranes sous pression et assurent le passage du gaz pénétré (cf. Robert E. Laceu and Sidneu Joeb BIndustrial processing with membranes" Toronto, 1972). Cet élément à membranes n'assure pas une haute efficacité de séparation des mélanges à cause d'une grande résistance des couches poreuses. La conception de l'élément n'évite pas la formation, sur lui, des plis de membrane, et n'exclut pas la tension excessive de la membrane, ce qui provoque la détérioration rapide de l'élément, surtout en cas de fabrication de la membrane en polymère vitreux. L'élément, le plus proche de l'invention, se compose de deux membranes semi-perméables entre lesquelles est placé un support poreux. Cet élément est pris comme l'antériorité la plus proche de l'invention (cf. brevet des Etats-Unis d1Amérique, n0 3332216, cl.55-158, publié le 25 juillet 1967). Le support poreux de cet élément est constitué par une grille métallique rectangulaire munie, de deux côtés, des bandes métalliques minces adhérant suivant toute la longueur de la grille le long de son axe central. La grille avec deux bandes métalliques est placée, à son tour, dans une enveloppe en matériau fibreux, par exemple en papier filtre. L'élément est étanché grâce à l'assemblage des membranes selon ses faces. Cet élément à membranes ne permet pas la separation efficace des mélanges, à cause d'une grande résis- tance hydraulique du support poreux. En cas de perte de charge sur la membrane, cette dernière est soumise à une charge irrégulière. Du fait de la présence de la grille métallique, il apparaît sur les membranes des courbures en cas de perte de charge. Ces courbures provoquent la tension de la membrane et la formation, sur celle-ci, des microfissures. Les microfissures diminuent sensiblement l'efficacité de séparation et mettent en panne, rapidement, l'élément à membranes. La fabrication de l'élément à membranes avec ledit support poreux est difficile et coûteuse. Leur emploi dans les appareils à membranes rend ces derniers compliqués et chers. On s'est posé le problème de mettre au point un élément à membranes dont le support poreux serait réalisé de façon, à assurer, en cas d'emploi de cet élément dans les appareils à membranes, une haute efficacité de separa tion des mélanges gazeux et liquides, grâce à la diminution de la résistance hydraulique du support poreux, avec étanchement parfait des membranes dans l'appareil p à év ter la tension de la membrane provoquant l'apparition des microfissures et à simplifier la réalisation constructive des éléments à membranes et des appareils à membranes, en entier. Ce problème est résolu à l'aide d'un élément de séparation des mélanges gazeux et liquides comportant deux membranes semi-perméables, entre lesquelles est placé un support poreux, suivant la présente invention ledit sup- port est réalisé sous forme de deux plaques poreuses, plates, d'un côté, nervurées, de l'autre côté, et orientées, par les côtés nervurEs, lBltne envers l'autre. Grâce à cette conception, les plaques poreuses de l'élément à membranes forment des canaux diminuant no- tablement la résistance hydraulique au flux du mélange, même avec épaisseur minimale de l'élément à membranes (0,7-2,0 mm). Cette disposition des membranes, supprime la tension de la membrane sur le côté plat des plaques poreuses rigides et la formation des plis sur la membrane, ce qui contribue à l'accroissement notable de la durée de service des éléments. Les plaques poreuses du support d'élément à membranes peuvent être exécutées en matière plastique peu coûteuse, gr ce à quoi la fabrication des éléments à membranes se simplifie et devient-moins chère. Ces éléments peuvent être utilisés dans des appareils à membranes,nour la séparation des mélanges gazeux et liquides. L'appareil à membranes, utilisant les éléments indiqués, comporte un corps, un couvercle, des raccords pour l'introduction et la dérivation du mélange à séparer, un collecteur disposé a l'intérieur du corps et portant des éléments à membranes plats. Dans cet appareil, suivant la présente invention, les éléments à membranes sont fixés sur le collecteur doté de douilles avec trous et butées. Ils sont réunis en paquet enfermé dans une enveloppe élasti- que adhérant étroitement aux faces des éléments et à une saillie réalisé sur le couvercle et dont le périmètre coincide avec celui du paquet. Cette réalisation constructive du collecteur d'appareil à membranes assure une étanchéité parfaite des éléments à membranes grace à la répar- tition régulière de l'effort de serrage entre eux, tandis que la présence de l'enveloppe élastique adhérant étroitement aux faces des éléments et à la saillie réalisée sur le couvercle contribue à la distribution régulière du mélange à séparer au-dessus de toute la surface des membranes et à une grande vitesse linéaire du flux du mélange a séparer, ce qui augmente, en fin de compte, l'efficacité de séparation du mélange, la fiabilité de fonctionnement de l'appareil, en entier, et diminue la main d'oeuvre nécessaire à la fabrication de l'appareil. L'enveloppe élastique de l'appareil à membranes peut être réalisée en tissu imprégné d'une composition polymère autodurcissable (par exemple, des résines époxydes). On donne ci-après la description de l'exemple concret de réalisation de la présente invention avec les références aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 montre schématiquement une vue générale, de l'élément à membranes pour la séparation des mélanges gazeux et liquides, selon l'invention la figure 2, une vue de l'appareil à membranes, dans lequel sont utilisés les éléments à membranes, assemblés sur le collecteur doté des douilles coaxiales avec trous et butées la figure 3, une vue générale de l'appareil à membranes avec enveloppe élastique. Pour la meilleure compréhension des dessins, l'appareil à membranes est représenté sur deux figures (figures 2 et 3). L'élément à membranes selon l'invention repré- sente à la figure 1 carprte deux membranes s#ï-#n#éables 1, exécutées, par exemple, en polyvinyl-triméthylsilane et entre lesquelles est placé un support poreux. Le support de l'élément à membranes est constitué par deux plaques poreuses 2, plates, d'un côté, nervurées de l'autre et orientées, par les côtés nervurés, l'une vers l'autre. Sur les côtés plats des plaques 2 sont fixées des membranes 1 et, grâce aux nervures des autres côtés, les plaques forment un canal pour la dérivation du mélange enrichi. Les membranes semi-perméables 1 et le support poreux sont étanchés selon le bord 3 de tout le périmètre de l'élément. L'élément à membranes fonctionne de la manière suivante. Le mélange à séparer (par exemple, l'air atmosphérique) est amené sous pression à la surface des membranes semi-perméables 1 de l'élément. Grâce aux différents pouvoirs pénétrants de l'oxygène et de l'azote, à travers les membranes 1 se diffuse principalement l'air enrichi par l'oxygène. Il arrive, ensuite, à travers les pores des plaques 2 dans les canaux formés par les côtés nervures des plaques de l'élément. Par ces canaux, l'air enrichi se dirige à l'orifice 4 pour être dérivé, a travers le collecteur de l'appareil à membranes, sous forme du produit voulu. La présence des canaux formés par les côtés nervurés des plaques poreuses 2 diminue notablement la résistance hydraulique et permet l'enrichissement efficace de l'air par l'oxygène jusqu'à 42 %, avec épaisseur minimale de l'élément à membranes (0,7 à 2,0 mm) et haut empaquetage des membranes dans l'appareil (jusqu' 600 m2/m3). Grâce à la disposition des membranes 1 sur le côté plat des plaques poreuses 2 rigides, la tension de la membrane avec formation des microfissures est exclue ainsi que l'apparition des plis sur les membranes, ce qui se traduit par l'accroissement notable de la durée de service des éléments. Les plaques poreuses 2 peuvent être réalisées en matière plastique peu coûteuse, par exemple, en polyvinyl-chlorure, ce qui simplifie la fabrication des éléments à membranes et la rend moins chère. Grace à la particularité de fabrication de l'éliment à membranes, on obtient son épaisseur constante minimale et on assure la production automatisée en masse, à haut rendement, des éléments. Ces éléments à membranes jouent un rôle principal lors de la séparation des mélanges gazeux et liquides dans les appareils à membranes. Ils sont destinés à l'enrichissement de l'air par l'oxygène, a l'extraction de l'hélium et de l'hydrogène depuis les mElan- ges gazeux et au dessalage des eaux. Ces éléments sont utilisés avec plus de succès dans l'appareil à membranes repue sente sur les figures 2, 3. L'appareil à membranes pour la séparation des mé- langes gazeux et liquides (figures 2, 3) comporte un corps 5 en forme de cylindre, un couvercle 6, des raccords 7 et 8 res- pectivement pour 1 'introduction et la dérivation du mélange à séparer, un paquet d'éléments à membranes constitués des membranes 1 et des supports poreux dont, chacun, est réali- sé sous forme de deux plaques poreuses 2, plates d'un cette, nervurées de l'autre et orientées, par les côtés nervurés, l'une envers l'autre, Chaque élément à membranes 1, 2 peut avoir la forme d'un disque avec segments coupés.Lors de l'assemblam ge de ces éléments à membranes en paquet on met les disques, l'un par rapport à l'autre, de sorte que les segments coupés se trouvent de part et d'autre de l'axe longitudinal du collecteur 9, ce qui assure l'écoulement successif du mélange enrichi d'un élément à membranes à l'autre. Les éléments à membranes 1, 2 sont montes sur le collecteur 9 avec joints d'étanchéité 10. Le paquet d'élé- ments à membranes avec joints est enfermé dans une enveloppe élastique 11 adhérant étroitement aux faces 12 des éléments et à une saillie 13 exécutée sur le couvercle 6. Le périmé- tre de cette saillie coincide avec celui des éléments à membranes.Comme enveloppe élastique, on peut utiliser une eY- licule en polyéthylène, en lavsan ou une autre pellicule polymère, avec ou sans couche collante des pellicules polymères à retrait thermique , ainsi que lez tissus impré- gnés des compositions polymères autodurcissables, par exem- ple des résines époxydes. Le collecteur 9, pour la dérivation du mélange enrichi, est doté des douilles coaxiales 14 avec trous et butées 15. Sur les douilles 14 sont montés les éléments à membranes 1,2 avec joints 10. Sur l'extrémité libre du collecteur est vissé un écrou de serrage 16 avec orifice 17 pour la sortie du mélange enrichi. Pour l'étanchéité de l'appareil, l'écrou de serrage 16 est muni d'un joint annulaire 18. Lors du vissage de l'écrou de serrage 16, les douilles se déplacent librement sur le collecteur 9 et l'ef- fort total se répartit régulièrement, grâce à l'action des butées 15, selon tous les éléments à membranes en assurant, par cela même, l'étanchéité parfaite de l'appareil pendant une longue durée d'exploitation. L'appareil à membranes fonctionne de la matière ci-après. Le mélange à séparer arrive sous pression à travers le raccord 7, dans l'enceinte formée par le corps 5 d'appareil et l'enveloppe élastique 11. Ensuite il s'écoule, à travers les jeux formés par les faces des éléments à membranes 1, 2 et l'enveloppe élastique 11, dans l'espace entre les surfaces des éléments à membranes, les contourne successivement et sort de l'appareil par le raccord 8. Le sens d'écoulement du mélange enrichi est montre conventionnellement sur les figures 2, 3 par la flèche A. A son tour, une partie du mélange à séparer se diffuse sélectivement à travers les membranes 1 et s'enrichit par les constituants facilement pénétrants. Ayant traversé les canaux, formés par les côtés nervurés des plaques 2, le mélange enrichi passe par les trous des douilles 14 et pénétre dans le collecteur 9, d'où il est évacué, par l'orifice de l'écrou de serrage 16, hors de l'appareil. Grâce a cette réalisation constructive de l'appareil à membranes, on assure la répartition régulière du mélange à séparer au-dessus de toute la surface de la membrane 1, une grande vitesse linéaire du mélange à séparer et l'absence des zones de stagnation. Tout ceci augmente sensiblement l'efficacité de séparation du mélange, fait accroitre l'extraction du constituant voulu et le degré d'enrichissement par les constituants. La présente de l'enveloppe élastique permet de rea- liser l'étanchéité parfaite entre l'enveloppe et les faces des éléments, avec quantité de travail minimale. En resultat de la réalisation constructive des éléments à membranes on obtient leur fonctionnement fiable au cours d'une exploitation prolongée de l'appareil et une grande stabilité des caractéristiques de travail des appareils à membranes. R E V E N D I C A T I O N S 1) Elément à membranes pour séparation des mélanges gazeux et liquides, comportant deux membranes semi-perméables (1) entre lesquelles est placé un support poreux, c a r a c t é r i s é en ce que ledit support est exécuté sous forme de deux plaques poreuses (2), plates d'un côté,nervurées de l'autre et orientées par les côtés nervurés l'une vers l'autre. 2) Elément à membranes, conformément à la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que les plaques (2) sont réalisées en matières plastique poreuse. 3) Appareil à membranes pour séparation des mélanges gazeux et liquides, avec éléments à membranes conformément à la revendication 1, comportant un corps (5), un couvercle (6), des raccords (7,8) pour l'introduction et la dérivation du mélange à séparer, un collecteur (9) disposé à l'intérieur du corps et portant des éléments Qn?gnbranes (1, 2) plats avec joints d'étanchéité (10), c a r a c t é r i s é en ce que les éléments à membranes (1, 2) sont montés sur le collecteur (9) muni des douilles coaxiales (14) avec trous et butées (15) et sont réunis en un paquet enfermé dans une enveloppe élastique (11) adhérant étroitement aux faces (12) des éléments (1,2) et à une saillie (13) réalisée sur le couvercle (6) dont le périmètre coïncide avec le périmètre du paquet. 4) Appareil à membranes, conformément aux revendications 1, 2, c a r a c t é r i s é en ce que l'enveloppe élastique (11) est réalisée en tissu imprégné d'une composition polymère autodurcissable.