Brevet FR2632206A1 — publié le 19891208

La présente invention est relative & un répartiteur de fluide, destiné & assurer une répartition uniforme des pressions et débits dans la section d'un écoulement dudit fluide, ainsi qu'à un dispositif de traitement d'un fluide équipé d'un tel répartiteur, et utilisé notamment en chromatographie. Les techniques chromatographiques connaissent actuellement un succès croissant, en particulier celles selon lesquelles on fait passer un liquide à travers une masse de billes de matière poreuse, afin de séparer des composants contenus dans ce liquide. Parmi les applications les plus importantes, on peut citer le traitement du sang, ainsi que de nombreux procédés du domaine des biotechnolo- gies. La progression des techniques amène à utiliser des colonnes de dhromatographie de taille de plus en plus importante, pouvant atteindre un diamètre de l'ordre du mètre, et une hauteur de 0,9 mètre. La matière nécessaire pour la chromatographie, qui est formée pour les faibles pressions de billes de diamètre 20 à 200 Vmètres, en géla- tine spongieuse, et pour les hautes pressions de particules de formes et dimensions analogues en silice, est très coûteuse. Il est donc nécessaire de l'utiliser au mieux et ceci impose que la répartition du courant de fluide à travers ces colonnes importantes soit aussi uniforme que possible. Habituellement, les colonnes de chromatographie sont constituées d'une enceinte cylindrique, verticale, généralement en verre, fermée à ses extrémités inférieure et supérieure par un répartiteur comportant un séparateur formé d'une plaque de matière poreuse à porosité ouverte, par exemple du polypropylène fritté, et une plaque répar- titrice, qui vient en appui sur le séparateur et comporte au moins un canal sur sa face tournée vers le séparateur, cette plaque étant traversée par au moins un conduit re- liant ledit canal, ou lesdits canaux, à un conduit d'ali- mentation unique situé sur la face opposée. Dans la réalisation la plus courante, le conduit est central, et les canaux partent en divergent du centre - 2 - vers la périphérie, en se ramifiant, de façon à offrir, sensiblement sur toute la surface de la plaque, un rapport à peu près constant entre les aires consacrées à l'écoule- ment du fluide et celles qui servent à soutenir le sépara- teur. La profondeur, ou la largeur des rainures, doit aug- menter lorsqu'on s'approche du centre, de façon à assurer un écoulement régulier du liquide. Il en résulte que l'obtention de telles pièces, qui se fait habituellement par moulage, est très coûteuse. En effet, l'usinage d'un moule convenable dans un acier très résistant est diffici- le à obtenir et demande beaucoup de temps et de soin. Un moule imparfait aboutit à des défauts dans la plaque, qui peuvent entraîner des difficultés de nettoyage. La présente invention a pour but de fournir un répartiteur dans lequel l'obtention de la plaque réparti- trice soit beaucoup plus simple, et d'un prix de revient beaucoup plus abordable. Un autro but de l'invention est de fournir un dispositif de traitement de fluide, tel qu'un chromato- graphe, dans lequel les démontages et réglages soient faciles et rapides. Pour obtenir ce résultat, l'invention fournit un répartiteur du fluide du type indiqué plus haut, et qui présente comme particularité que la plaque répartitrice comporte plusieurs canaux distincts, de forme annulaire, concentriques, séparés les uns les autres par des surfaces d'appui du séparateur, et que lesdits conduits reliant les canaux & la conduite d'alimentation ou d'évacuation introduisent, en fonctionnement, entre ladite conduite et le canal correspondant, une perte de charge inversement proportionnelle à l'aire du canal correspondant, mesurée à la surface du répartiteur. De préférence, le séparateur et la plaque répar- titrice sont de forme circulaire, et les canaux sont cir- culaires et concentriques. Il est facile de constater que l'usinage des ca- naux de la pièce elle-même, si elle est produite par usi- nage direct, ou l'usinage du moule, si on désire produire - 3 - la pièce par moulage, peuvent etre faits au tour, et qu'il est possible dans l'un et l'autre cas d'obtenir des surfa- ces précises, pour un coût faible. Avantageusement, les conduits reliant les canaux à la conduite d'alimentation ou d'évacuation comprennent des rainures en étoile, creusées dans la face de la plaque répartitrice qui est opposée au séparateur, ces rainures étant recouvertes par une plaque d'appui en con- tact avec la plaque répartitrice, et les conduits com- prennent en outre des passages perpendiculaires à la plaque répartitrice, débouchant d'un côté dans une rainure et de l'autre côté dans un canal. Avantageusement, ces passages ont une section plus faible que les rainures dans lesquelles ils débou- chent. Là encore, on voit qu'il s'agit de forme simple, et d'obtention facile. On notera qu'il n'est pas nécessaire que la profondeur des rainures varie en s'écartant du centre, ni même qu'elle varie d'une rainure à l'autre, puisque la perte de charge est obtenue principalement à l'aide des passages qui traversent la plaque. Suivant une modalité intéressante, les passages sont pourvus d'ajutages interchangeables, pour permettre d'ajuster la perte de charge dans le conduit correspondant. On peut ainsi, avec une même plaque, tenir compte des viscosités différentes des fluides à traiter. Avantageusement, les aires des canaux de la plaque répartitrice sont égales entre elles, et les pertes de charge introduites par les conduits sont égales entre elles. Pour obtenir un dispositif de traitement d'un fluide, comme un dispositif de traitement par chromato- graphie, on prévoit avantageusement une enceinte cylindri- que fermée à ses extrémités par deux répartiteurs du type ci-dessus, ces répartiteurs étant disposés avec leur sépa- ration en vis-à-vis. Pour faciliter le démontage et le réglage des dimensions d'une telle enceinte, on a trouvé avantageux - 4 - que le répartiteur soit fixé sur une plaque d'appui. pourvue d'un joint gonflable assurant l'étanchéité avec la paroi latérale de l'enceinte. Dans les dispositifs de l'art antérieur, l'étan- chéité entre chaque répartiteur et la paroi latérale de l'enceinte est obtenue par écrasement d'un joint torique. Une telle solution est difficilement applicable pour des diamètres importants, car il faut alors prévoir des forces considérables pour écraser le joint torique de façon con- venable, et/ou prévoir une très grande précision sur le diamètre du répartiteur et de la paroi intérieure de l'enceinte. En outre, une obliguité même faible du plan du répartiteur par rapport à l'axe de l'enceinte peut mettre en défaut l'étanchéité. L'emploi d'un joint conve- nable ne met pas en jeu de forces importantes. En outre, sa grande latitude de déformation permet des tolérances dimensionnelles beaucoup plus larges. Pour obtenir, dans un chromatographe de grand diamètre disposé verticalement, un serrage gonflable de la masse de matière pour chromatographie qui remplit l'espace compris entre les deux séparateurs, il est avan- tageusement prévu que les répartiteurs supérieurs sont fixes sur une plaque qui peut être portée par une tige de soutien centrale, avec un jeu qui correspond à la compres- sibilité de la masse de matière pour chromatographie, et des poussoirs verticaux, disposés vers la périphérie de cette plaque, assurent le serrage désiré, et régulier, de ladite masse. L'invention va maintenant être décrite de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple pratique, illustré à l'aide des dessins, parmi lesquels: Figure 1 est une vue d'ensemble partiellement en coupe, d'une colonne de chromatographie conforme. à l'invention, Figure 2 est une coupe partielle, à plus grande échelle d'un distributeur selon l'invention, Figures 3 et 4 sont des vues partielles, respec- tivement de dessus et de dessous, de la plaque répartitrice -5 du répartiteur de la figure 2. Le chromatographe décrit aux figures est un appa- reil de grandes dimensions, d'un diamètre d'environ 450 mm, cette dimension étant donnée à titre d'exemple, et d'une hauteur comparable. De tels appareils sont utilisés pour la séparation d'un composant d'un liquide, par exemple la séparation du sérum contenu dans le sang. La faiblesse du rapport hauteur/diamètre impose, à l'évidence, une très bonne répartition du flux de liquide sur toute la section. Le chromatographe visible dans son ensemble & la figure 1 comprend un tube cylindrique de révolution 1, disposé verticalement, un répartiteur supérieur 2, et un répartiteur inférieur 3, l'espace 4 défini par ces deux répartiteurs constituant la chambre de travail, qui est remplie d'une masse de billes de gélatine poreuse, qui constitue, dans le cas présent, le matériau de sépara- tion. Le répartiteur supérieur 2 est fixé sur une plaque d'appui 5, et constitue avec elle un piston mobile & l'intérieur du tube 1, ce qui permet d'adapter sa position au volume exact de billes mises en place dans l'espace 4. Des poussoirs 6, régulièrement répartis le long de la périphérie de la plaque d'appui 5, permettent d'exercer la pression convenable sur la masse des billes. Ces pous- soirs prennent appui, grâce à un filetage, sur une plaque d'extrémité supérieure 7, qui surmonte le tube 1. La plaque d'extrémité 7 est ellemême reliée à une plaque d'extrémité inférieure 8 par une série de tirants 9 régulièrement répartis, disposés à l'extérieur du tube 1. La plaque d'extrémité inférieure 8 porte des pieds 10 qui supportent l'ensemble de l'appareil. Lors des démontages et remontages de l'appareil, le poids et les grandes dimensions du piston constitué par le répartiteur supérieur 2 et sa plaque d'appui rendent sa manipulation délicate. Pour faciliter celle-ci, la plaque 5 est reliée à la plaque d'extrémité supérieure 7 par une tige de soutien 11, située dans sa partie centrale, et équipée d'un moyen de levage manuel 12, porté par la plaque 7. Un dispositif de sécurité, non représenté, empêche que, lors du serrage des poussoirs 6, la tige 11 et le dispositif 12 ne supportent des efforts trop importants. Le répartiteur inférieur 3 est pourvu d'une plaque d'appui 13, identique à la plaque d'appui 5 du répartiteur supérieur. Cette plaque d'appui repose sur la plaque d'extrémité inférieure 8. Des anneaux de maintien supérieur 14 et inférieur 15, traversés par les tirants 9, maintiennent en position le tube en verre 1 par rapport aux plaques d'extrémité 7 et 8. En outre, ils maintiennent un tube 16 de matière plastique transparente (méthacrylate de méthyle), concen- trique au tube en verre 1, de diamètre un peu plus large et qui sert & la fois de protection mécanique, et éven- tuellement de protection thermique, l'espace entre les deux tubes pouvant éventuellement être traversé par un fluide de maintien en température. La plaque d'extrémité supérieure 7 est traversée par un large orifice 16, par lequel passent, d'une part un tube souple 17 d'évacuation du liquide traité, et d'autre part, un tube souple 18 d'alimentation en air comprimé des joints d'étanchéité qu'on verra dans la suite. L'orifice 16 sert également à mettre à l'atmosphère la face supé- rieure de la plaque d'appui 5. La plaque d'extrémité 8 est traversée par un pas- sage 19 d'amenée du fluide à traiter, et un passage 19a d'amenée d'air comprimé pour les joints d'étanchéité. On observera que rien ne s'oppose A ce que le sens de circulation soit inversé, soit à dire que le conduit 17 soit un conduit d'amenée, et le passage 19 un passage d'évacuation du fluide. Bien entendu, des joints d'étanchéité, non repré- sentés, sont prévus aux endroits convenables. La figure 2 est une coupe partielle plus détaillée d'un mode de réalisation préféré du répartiteur supérieur 2, de sa plaque d'appui 5, et des éléments avoisinants. -7- Le répartiteur 2 est composé d'un séparateur 20 constitué d'une simple plaque circulaire de polypropylene fritté, et d'une plaque répartitrice 21 formée d'une plaque de matière plastique rigide, dont la face inférieure, c'est-à-dire celle qui est en contact avec le séparateur , est représentée à la figure 4. Cette face inférieure comprend des parties en saillie, toutes dans un même plan, et qui assurent le contact avec le séparateur 20, et des parties en creux, également toutes dans un même plan. Les parties en saillie comprennent un saillant central 22, circulaire, et une série de nervures annnulaires con- centriques 23, 24, 25, 26, ainsi qu'une nervure de bord 27. Le saillant central 22, circulaire, de petit diamètre, occupe à peu près 1/1000 de la surface totale de la plaque distributrice. Les nervures circulaires 23 à 26 sont de faibles largeurs, elles occupent, ensemble, environ 1/100 de la surface totale de la plaque répartitrice. La nervure de bord 27 est un peu plus large, elle est associée sur son bord interne & un joint d'étanchéité 28. Le saillant 22 et les nervures 23 à 27 définissent entre eux des canaux 29, 30, 31, 32, 33 qui sont limités à leur partie supérieure par le corps de la plaque répar- titrice, et à leur partie inférieure par le séparateur 21. En coupe radiale, comme le montre la figure 2, leur section est rectangulaire, avec une hauteur constante, et une largeur qui dépend de la position relative du sail- lant 22 et des différentes nervures. La position de ces nervures, et le rayon du saillant 22, sont calculés pour que l'aire des différents canaux mesurée dans le plan de contact du séparateur 20 et de la plaque répartitrice 21 soit la même d'un canal à l'autre. Ceci impose que, pour chacun des canaux, la différence (Re2 - Ri2) soit constante, Re et Ri représentant le rayon du bord interne et du bord externe du canal, mesuré & partir de l'axe de la plaque répartitrice. Le calcul de l'implantation du saillant central et des différentes nervures ne pose aucune difficulté du point de vue mathématique. Le nombre des nervures est - 8 - déterminé par des considérations mécaniques, il faut en effet qu'elles soient en nombre suffisant pour s'opposer & toute déformation du séparateur 20. La face supérieure de la plaque répartitrice 21 est représentée à la figure 3. Elle est plane dans son ensemble, mais présente une série de rainures disposées en étoile, ces rainures étant de section identique, mais de longueurs variables. Quatre premières rainures 34, vont depuis la région centrale jusqu'à un passage trans- versal 35, qui traverse la plaque et débouchent dans le fond du premier canal 29 en partant du centre. Quatre au- tres rainures 36 sont reliées de même à des passages 37 débouchant dans le fond de la seconde rainure 30. Des rai- nures similaires 38, 40, 42, de longueurs croissantes, sont, de la même manière, reliées & des passages 39, 41, 43 débouchant respectivement dans les nervures suivantes 31, 32, 33. Chaque groupe de quatre nervures de même lon- gueur forme une étoile à quatre branches, si bien que les passages débouchant dans le fond des canaux successifs sont répartis de façon régulière. Les passages 35, 37, 39, 41, 43 ne sont pas iden- tiques entre eux. Leur section est calculée pour que la perte de charge introduite depuis la cuvette centrale 44 jusqu'au canal 29 à 33 correspondant soit la même pour tous les canaux. On obtient ainsi des conditions de pres- sion et débit uniformes pour tous les canaux, c'est-à-dire sensiblement pour toute la surface du séparateur. Les minimes écarts sont comblés grace à la perméabilité du séparateur, qui joue un rôle de diffuseur. La section propre des canaux 29 à 33 est assez grande pour ne pas perturber cette uniformité. On doit se souvenir, en effet, que les vitesses d'écoulement, dans une installation de chromatographie, sont très faibles. Les passages 35, 37, 41, 43 sont, dans l'exemple décrit, simplement forés à travers la plaque répartitrice 21. On pourrait aussi prévoir des étranglements calibrés mis en place dans des orifices forés à l'avance. Cette variante plus compliquée permettrait de modifier les pertes - 9 - de charges en fonction des conditions de travail pour obtenir toujours une égalisation optimale des pressions et débits dans le séparateur et donc dans l'espace de travail 4. Les différentes rainures convergent vers le centre dans une zone de répartition centrale 44, formant une sorte de cuvette. Le saillant central 22 prévu sur la face opposée a pour utilité d'éviter un trop grand affai- blissement mécanique de cette zone. Près de son bord périphérique, la face supérieure de la plaque répartitrice 21 est pourvue d'un joint d'étanchéité annnulaire 45, analogue au joint d'étanchéité 28. Des vis 46 traversent, à la fois, le séparateur 20 et la plaque répartitrice 21, et sont fixées dans la plaque d'appui 5, notablement plus épaisse. Cette plaque d'appui, qui est cylindrique, avec un rayon sensiblement égal & celui du répartiteur 2, est en contact avec la face supé- rieure de la plaque répartitrice 21 sur la partie de sa surface qui n'est pas occupée par les rainures ou par la cuvette centrale 44. A sa partie centrale, la plaque d'appui 5 est traversée par un canal de fluide 47, disposé axialement, et qui débouche & la partie inférieure dans un entonnoir de répartition 48, qui fait face & la cuvette 44. Sur ses bords périphériques, la plaque 5 présente une rainure circulaire dans laquelle est logé un joint 49 formé d'une chambre annulaire, gonflable & l'air com- primé, l'air comprimé étant amené par l'intermédiaire d'un conduit 50, ménagé dans l'épaisseur de la plaque 5. Les dimensions du joint 49 sont calculées pour qu'il puisse, en toute éventualité, assurer une étanchéité cor- recte de l'espace intérieur 4 par rapport à l'extérieur, même au cas o la plaque 5 se trouverait légèrement oblique par rapport à l'axe. Sur la figure 2, le joint 49 est représenté à l'état dégonflé. Une pièce de jonction et d'accrochage 51 est fixée, par l'intermédiaire de vis 52, sur la face supérieure de la plaque 5. Cette pièce 51 porte 'un raccord 53 au tube souple 17 d'évacuation - 10 - du liquide, ce raccord 53 étant, bien entendu, relié au passage axial 47. Elle porte aussi un raccord 54 au conduit souple 18, qui sert à alimenter en air comprimé le joint gonflable 49 par l'intermédiaire du passage 50. En outre, elle porte le moyen d'accrochage 55 de la tige de soutien 11. Le jeu nécessaire pour empêcher des efforts exagérés sur la tige 11 peut être contenu dans le dispositif d'accrochage 55, comme il peut être dans le moyen d'actionnement 12, représenté à la figure 1. On a représenté en 56 une pièce d'extrémité du poussoir 6, montée & rotule sur celui-ci, et présentant une surface d'appui sur la plaque 5. Pour des raisons de simplicité, le répartiteur infé- rieur 3 et sa plaque d'appui 13 sont absolument identiques au répartiteur supérieur 2 et à sa plaque d'appui 5. Ils sont simplement retournés, le répartiteur 3 étant au-des- sus de la plaque d'appui 13, et dans le répartiteur 3, le séparateur étant au-dessus de la plaque répartitrice. Il n'est donc pas nécessaire de les décrire en détail. Le dispositif qu'on vient de décrire est.particu- lièrement simple tant dans son exécution que dans son maniement, notamment en ce qui concerne le montage et le démontage. - 1l - REVENDICATIONS 1. Répartiteur de fluide destiné à assurer une répartition uniforme des pressions et débits sur la section d'un écoulement dudit fluide, ce répartiteur com- portant un séparateur (20), formé d'une plaque de matière poreuse à porosité ouverte, et une plaque répartitrice (21), en appui sur le séparateur comportant au moins un canal ouvert sur sa face tournée vers le séparateur, et étant traversée par au moins un conduit reliant ledit canal ou lesdits canaux à une conduite d'alimentation ou d'évacuation unique située sur la face opposée, caractérisé en ce que la plaque répartitrice (21) comporte plusieurs canaux (29 à 33) distincts, de forme annulaire, concentriques, séparés les uns des autres par des surfaces d'appui (22 à 27) du séparateur (20), et en ce que lesdits conduits (34 à 43) reliant les canaux à la conduite d'alimentation ou d'évacuation introduisent, en fonctionnement, entre ladite conduite et le canal cor- respondant, une perte de charge, inversement proportion- nelle à l'aire du canal correspondant, mesurée sur la sur- face du séparateur. 2. Répartiteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le séparateur (20) et la plaque répartiteur (21) sont de forme circulaire, et les canaux (29 à 33) sont circulaires et concentriques. 3. Répartiteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les conduits reliant les canaux à la conduite d'alimentation ou d'évacuation comprennent des rainures (34, 36, 38, 40, 42) en étoile creusées dans la face de la plaque répartitrice qui est opposée au sépa- rateur, ces rainures étant recouvertes par une plaque d'appui (5) en contact avec la plaque répartitrice, et les conduits comprennent, en outre, des passages (35, 37, 39, 41, 43) perpendiculaires à la plaque répartitrice, débou- chant d'un côté dans une rainure et de l'autre côté dans un canal. - 12 - 4. Répartiteur selon la revendication 3, caracté- risé en ce que lesdits passages ont une section plus fai- ble que les rainures dans lesquelles ils débouchent. 5. Répartiteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits passages sont pourvus d'aju- tages interchangeables pour permettre d'ajuster la perte de charge dans le conduit correspondant. 6. Répartiteur selon l'une des revendications 1 & 5, caractérisé en ce que les aires des canaux (29 à 33) sont égales entre elles, et les pertes de charges introduites par les conduits sont égales entre elles. 7. Dispositif de traitement d'un fluide comprimant une enceinte cylindrique (1) fermée par deux répartiteurs (2, 3), caractérisé en ce que les répartiteurs sont con- formes & l'une des revendications 1 à 6 et disposés avec leurs séparateurs envis-à-vis. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que pour faciliter le démontage et le réglage des dimensions de l'enceinte, chaque répartiteur est fixé sur une plaque d'appui (3) pourvue d'un joint gonflable (49) assurant l'étanchéité avec la paroi latérale de l'enceinte. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou B et constituant un chromatographe disposé verticalement dans lequel l'espace (4) compris entre les deux séparateurs contient une masse de matière pour chromatographie, carac- térisé en ce que le répartiteur supérieur est fixé sur une plaque (5) qui peut être portée par une tige de soutien centrale (11) avec un jeu qui correspond à la compressibi- lité de la masse de matière pour chromatographe, et des poussoirs verticaux (6) disposés vers la périphérie de cette plaque assurent un serrage convenable de ladite masse.