Brevet FR2637817A1 — publié le 19900420

CADRE SEPARATEUR POUR DISPOSITIFS D'ECHANGE ENTRE DEUX FLUIDES La présente invention concerne l'téchange, entre deux fluides, d'éléments contenus dans au moins un de ces fluides, tels que molécules ou ions, par une technique mettant en oeuvre des membranes, du type dialyse, électrodialyse, osmose inverse ou ultrafiltration. Elle a trait plus particulièrement aux cadres qui séparent deux membranes successives et qui permettent la circulation des fluides. De tels cadres seront dénommés cadres séparateurs dans la suite de la présente demande. Dans les dispositifs d'échange par membrane, les membranes échangeuses sont placées sous forme d'empilement, parallèlement les unes aux autres, séparées et maintenues par les cadres séparateurs. Ces cadres sont composés d'une pièce rigide et imperméable aux fluides dont l'évidement central comporte une structure ajourée par exemple une grille. La pièce rigide appelée plan de joint assure l'étanchéité du dispositif. Elle est percée d'orifices qui, dans l'empilement, assurent l'écoulement des fluides. Ce sont les conduits d'alimentation et d'évacuation du fluide; la structure ajourée permet la circulation du fluide dans la partie centrale évidée. Chaque zone d'échange est constituée par un empilement d'une première membrane échangeuse perméable à certains éléments, d'un cadre séparateur et d'une seconde membrane échangeuse perméable aux mêmes ou à d'autres éléments. Pour que l'échange soit réalisé dans de bonnes conditions, il est nécessaire que la circulation du fluide dans chaque zone d'échange soit importante. Pour augmenter la vitesse de circulation, il est connu de diminuer l'épaisseur de la zone dans laquelle circule le fluide. Cependant du fait de la dilatation des membranes en présence du fluide, il est nécessaire que le plan de joint du cadre séparateur ait une épaisseur plus élevée que la structure ajourée, de sorte que le fluide puisse circuler dans la zone d'échange malgré cette dilatation. Toutefois on constate que la différence d'épaisseur entre le plan de joint et la structure ajourée provoque des défauts d'étanchéité au niveau des diffuseurs, qui sont des évidements pratiqués dans le plan de joint et qui correspondent aux conduits d'amenée et de sortie du fluide dans la zone d'échange. Ces défauts sont dus à la flexibilité des membranes: celles-ci se creusent au niveau des diffuseurs et laissent s'écouler dans une zone d'échange donnée le fluide, provenant d'un conduit d'alimentation et destiné à alimenter la zone d'échange adjacente dans l'empilement. Ce mélange partiel des fluides est bien sûr inacceptable. On a déjà envisagé de pallier cet inconvénient en créant sur le plan de joint une surépaisseur entre la structure ajourée et ceux des conduits de circulation du fluide qui ne parcourt pas la zone d'échange considérée. Un tel dispositif est décrit dans le brevet français NO 2.189.091. Or on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de l'invention, un dispositif d'échange entre deux fluides d'éléments contenus dans au moins un des fluides qui pallie l'inconvénient précité et qui est d'une conception nouvelle. De manière connue, le dispositif d'échange comporte un empilement de membranes échangeuses et de cadres séparateurs intercalés entre lesdites membranes, chaque cadre étant composé d'un plan de joint imperméable délimitant une partie centrale évidée; les plans de joint et les membranes sont percés d'orifices, un premier jeu d'orifices constituant des conduits de circulation du premier fluide, un second jeu d'orifices constituant des conduits de circulation du second fluide; chaque plan de joint comporte des évidements, appelés diffuseurs, qui relient pour un cadre séparateur sur deux la partie centrale aux orifices du premier jeu et pour l'autre la partie centrale aux orifices du second jeu; les diffuseurs et la partie centrale comportent une structure ajourée. De manière caractéristique, le plan de joint est composé d'un support ayant un revêtement souple sur chaque face et comporte des éléments de protection s'étendant au-dessus de la structure ajourée correspondant aux diffuseurs. On appelle revêtement souple un revêtement de surface qui accepte une déformation élastique lorsqu'on exerce sur lui une pression. Ainsi 1 'élément de protection empêche la membrane, adjacente du cadre séparateur dans l'empilement, de se déformer dans la zone du diffuseur, et le revêtement souple en surface de la plaque de joint permet de maintenir une bonne étanchéité interne au dispositif en compensant par son élasticité la présence de l'élément de protection. De préférence, l'élément de protection étant rigide, le plan de joint comporte deux parties en creux dans la zone attenante aux deux orifices qui ne sont pas reliés à la partie centrale. Pour un cadre donné, ces parties en creux font face dans l'empilement aux éléments de protection du cadre adjacent. Les parties en creux peuvent elles-mêmes être revêtues d'un revêtement formant joint. Les éléments de protection peuvent s'étendre soit d'un seul c8té de la structure ajourée, soit s'étendre de part et d'autre sur les deux faces de la structure ajourée. En d'autres termes à un diffuseur peut correspondre un seul élément de protection ou deux éléments de protection. Selon une version particulièrement avantageuse du cadre séparateur de l'invention, celui-ci est composé de quatre feuilles thermoplastiques et de la structure ajourée assemblées, les deux feuilles extérieures étant souples et les deux feuilles intérieures situées de part et d'autre de la structure ajourée étant semi-rigides et, pour au moins l'une d'elles, ne comportant pas d'évidement dans la zone des diffuseurs, les quatre feuilles étant assemblées selon le plan de joint, moyennant quoi dans les zones correspondant aux diffuseurs la ou les feuilles semi-rigides ne sont pas assemblées à la structure ajourée. Selon cette version, les parties en creux dans la zone attenant aux orifices qui ne sont pas reliés à la partie centrale sont obtenues lors de l'assemblage par écrasement localisé des deux feuilles souples extérieures. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va être faite d'un exemple de réalisation d'un cadre séparateur simplifié pour dispositif d'échange entre deux fluides, illustrée par le dessin annexé dans lequel: La figure I est une vue schématique de dessus du cadre séparateur, La figure 2 et une vue en coupe suivant l'axe AA' de la figure 1 d'un empilement partiel comprenant trois cadres séparateurs et quatre membranes échangeuses, La figure 3 est une vue schématique de dessus du cadre séparateur comportant une partie creuse, La figure 4 est une vue en coupe suivant l'axe BB' de la figure 3 d'un empilement partiel comprenant trois cadres séparateurs et quatre membranes échangeuses. Le cadre séparateur 1, montré à la figure 1, est volontairement simplifié; il correspond à un dispositif d'échange pilote équipé d'un seul conduit d'alimentation et un seul conduit de sortie pour chacune des deux fluides. Il comprend un plan de joint 2, de forme extérieure rectangulaire. Le plan de joint I a une partie centrale évidée 3 qui a dans le cas présent la forme d'un parallélogramme non rectangulaire dont deux c6tés sont parallèles aux côtés du plan de joint 1. Le plan dé joint I a quatre évidements 4,5,6,7, situés deux a deux symétriquement de part et d'autre de la partie centrale 3.De plus le plan de joint I comporte deux évidements supplémentaires 9,10 reliant les deux zones correspondant aux sommets les plus éloignés du parallélogramme constituant la partie centrale 3 et les deux évidements 5 et 7 qui font face à ces deux zones. La partie centrale 3 correspond à la zone d'échange; les deux évidements 4 et 6 non reliés à la partie centrale 3 correspondent aux conduits de circulation du premier fluide; les deux évidements 5 et 7 reli&s à la partie centrale 3 correspondent aux conduits de circulation du second fluide; les évidements 9,10 reliant ces derniers à la partie centrale correspondent aux diffuseurs. Une structure ajourée 8, dénommée toile, est tendue dans la partie centrale 3 et dans les diffuseurs 9,10. La toile située dans chaque diffuseur est protégée par un élément de protection 11,12, en forme de pontet, prolongeant le plan de joint avec un décrochement au-dessus de la toile sur les deux faces de celle-ci. Dans un dispositif d'échange par empilement de cadres séparateurs et de membranes échangeuses, un cadre I sur deux a la configuration représentée à la figure 1, l'autre cadre]' sur deux ayant une configuration similaire mais symétrique par rapport à l'axe C-C': les diffuseurs 9,10 et les pontets 11,12 du cadre 1' sont en regard des conduits 4,6 de circulation du premier fluide. La figure 2 est une vue partielle d'un empilement de trois cadres séparateurs et de quatre membranes échangeuses 13. La partie représentée correspond à une coupe selon l'axe AA' de la zone correspondant à un seul diffuseur 9. Pour la clarté de l'explication, la représentation de la figure 2 montre les différents éléments nettement séparés alors qu'en réalité les cadres 1,1' et les membranes 13 sont en contact étroit. Le plan de joint 2 est obtenu par l'assemblage, par soudage, de quatre feuilles superposées d'une matière thermoplastique par exemple en polychlorure de vinyle. Les deux feuilles extérieures 16,17 sont à base d'un film souple, tandis que les deux feuilles intérieures 14,15 sont à base d'un film semi-rigide. Les feuilles 16,17 souples sont évidées conformément au plan de joint I y compris dans la zone des diffuseurs 9, 10. Les feuilles 14,15 rigides sont évidées conformément au plan de joint 2 non compris dans la zone des diffuseurs 9,10. Pour l'assemblage, on intercale entre les deux feuilles 14,15 rigides la toile, par exemple un tissu de polyester ayant une contexture en forme de grille, dont les dimensions sont supérieures à la partie centrale 3 et aux diffuseurs 9,10 de manière à ce que la toile soit maintenue par les feuilles thermoplastiques assemblées. Lors de l'assemblage, on applique une forte pression à une température suffisante pour atteindre un certain ramollissement des feuilles thermoplastiques, sur l'ensemble du plan de joint 2 exception faite des zones des diffuseurs 9,10. Ainsi dans ces zones les films rigides 14,15 ne sont pas comprimés et constituent les pontets 11,12 de protection des diffuseurs 9,10. Ailleurs les quatre films sont assemblés et forment un plan de joint 2 homogène à l'intérieur duquel la toile 8 est tendue. Lors du fonctionnement du dispositif d'échange, les deux membranes 13,13' s'appliquent sur toute la surface du plan de joint 2 de part et d'autre du cadre séparateur 1. Au droit du diffuseur 9, les membranes 13,13' s'appliquent sur la surface du pontet de protection respectivement 11,12. La rigidit& de la feuille 14,15 constituant le pontet 11,12 empêche la compression de la toile 8 dans le diffuseur 9 et la déformation à cet endroit de la membrane 13. Ainsi on évite les mélanges non acceptables des deux fluides. L'étanchéité interne de cet empilement est obtenue, malgré la présence des pontets 11,12 grâce à la compressibilité du film souple 16,17 en surface du cadre 1' dans la zone en regard des pontets 11,12. Si besoin est, cette étanchéité peut être améliorée grâce au mode de réalisation montré aux figures 3 et 4. Des parties en creux 18,19 sont formées lors de l'assemblage dans les feuilles souples 16,17 d'un cadre séparateur 1', en regard des pontets 11,12 des cadres séparateurs 1 qui lui sont adjacents dans l'empilement 9.Ces parties en creux 18,19 forment des sortes d'empreintes desdits pontets 11,12, et absorbent le surplus d'épaisseur créé par les pontets. Elles sont obtenues au moment du soudage en augmentant la pression appliquée dans les zones correspondantes. On peut aussi, pour une étanchéité encore renforcée, effectuer un dépôt de joint liquide ou d'une colle dans la partie. en creux 18,19. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été décrit mais en couvre toutes les variantes. En particulier industriel dans un dispositif m, il y a une multiplicité de conduits d'alimentation et de sortie pour chacun des deux fluides; dans ce cas chaque cadre a le nombre d'orifices et de diffuseurs adaptés, pour une seule partie centrale, mais le fonctionnement décrit ci-dessus est tout-à-fait transposable. L'invention a des applications dans tous les domaines qui concernent les échanges entre deux fluides au travers de membranes échangeuses, perméables à certains éléments, qu'il s'agisse de dialyse, d'électrodialyse, d'ultrafiltration ou d'osmose inverse. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échange entre deux fluides d'éléments contenus dans au moins un des fluides, du type comportant un empilement de membranes échangeuses (13) et de cadres séparateurs (1) intercalés entre lesdites membranes (13,13'), et selon lequel chaque cadre (1) est composé d'un plan de joint (2) imperméable délimitant une partie centrale (3) évidée, les plans de joint (1) et les membranes (13) sont percés d' orifices, un premier jeu d'orifices (4,6) constituant des conduits de circulation du premier fluide, un second jeu d'orifices (5,7) constituant des conduits de circulation du second fluide, chaque plan de joint comporte des évidements (9,10), appelés diffuseurs, qui relient pour un cadre séparateur (1') sur deux la partie centrale (3) aux orifices (4,6) du premier jeu et pour l'autre (1) la partie centrale aux orifices (5,7) du second jeu, les diffuseurs (9,10) et la partie centrale (3) comportent une structure ajourée (8), caractérisé en ce que le plan de joint (2) est composé d'un support ayant un revêtement souple sur chaque face et comporte des éléments de protection (11,12) s'étendant au-dessus de la structure ajourée (8) correspondant aux diffuseurs (9,10). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments de protection (9,10) étant semi-rigides, le plan de joint (2) comporte des parties en creux (18,19) dans la zone attenante aux orifices (4,6) qui ne sont pas reliés à la partie centrale (3). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les parties en. creux (18,19) sont revêtues d'un revêtement formant joint. 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le cadre séparateur (1) est composé de quatre feuilles thermoplastiques et de la structure ajourée, les deux feuilles extérieures (16,17) étant souples et les deux feuilles intérieures (14,15) situées de part et d'autre de la structure ajourée (8) étant semi-rigides et, pour au moins l'une d'elles, ne comportant pas d'évidement dans la zone des diffuseurs (9,10), les quatre feuilles (14,15,16,17) étant assemblées selon le plan de joint de telle sorte que dans les zones correspondant aux diffuseurs, la ou les feuilles semi-rigides (14,15) ne soient pas assemblées & la structure ajourée (8) et forment les éléments de protection (11,12). 5. Dispositif selon les revendications 2 et 4 caractérisé en ce que les parties en creux (18,19) dans la zone attenant aux orifices (4,6) qui ne sont pas reliés à la partie centrale (3) sont obtenues lors de l'assemblage par écrasement localisé des deux feuilles souples extérieures (16,17). 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les parties en creux (18,19) sont revêtues d'un matériau formant joint. 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le plan de joint (2) comporte, pour chaque diffuseur, deux éléments de protection (11,12) s'étendant de part et d'autre de la structure ajourée (8).