Brevet FR2745506A1 — publié le 19970905

DISPOSITIF A MEMBRANES SELECTIVES La présente invention concerne un dispositif comprenant des membranes sélectives, perméables aux solvants et/ou perméables à l'eau, qui sont empilées les unes derrière les autres à une distance déterminée les unes des autres le long d'un canal central à l'intérieur d'un boîtier, qui est muni d'orifices pour l'admission d'un courant d'alimentation, ainsi que pour l'évacuation du rétentat et du perméat, le courant d'alimentation s'écoulant à travers les membranes, les unes après les autres, afin de séparer le perméat et d'obtenir le rétentat. Un dispositif susmentionné a été décrit dans DE 44 13 362 C1 ; il est utilisé dans des procédés modernes de filtration des effluents gazeux et de recyclage des solvants, il est aussi souvent combiné à d'autres techniques, tels que l'adsorption,, l'absorption ou des procédés thermiques de filtration des effluents gazeux. Dans le procédé de filtration cité en dernier lieu, au cours de ce que l'on appelle la perméation gaz-vapeur, les solvants sont séparés par voie sélective d'un courant gazeux et enrichis. Dans la mesure où l'on souhaite procéder de manière complémentaire ou alternative à un enrichissement sélectif de l'eau à partir des courants d'alimentation (flux de gaz), il faut prévoir des membranes sélectives spécifiques, perméables à l'eau, telles que celles décrites dans DE 44 13 362 C1. Dans le dispositif connu selon le brevet allemand cité, les différentes membranes sont constituées par des empilements de membranes en poches, sous forme de membranes PDMS, par exemple, et elles sont de forme cylindrique. Le boîtier, dans lequel sont posées les membranes, est également cylindrique, et en raison de ces formes cylindriques, les coûts de fabrication du dispositif de séparation à membranes sont élevés. En outre, il s'est avéré que le dispositif connu entraîne une limitation des éventuels débits de fluence à atteindre pour le courant d'alimentation, il en résulte que l'on obtient dans le dispositif connu de faibles taux d'évacuation du perméat et du rétentat.Par ailleurs, les empilements de membranes en poches de forme cylindrique opposent une résistance à l'écoulement du courant d'alimentation et les compartiments de circulation prévus dans le dispositif cylindrique pour guider le courant d'alimentation ne sont pas définis de manière optimale, de telle sorte que le courant d'alimentation ne peut pas pénétrer sur toute la longueur de chaque empilement de membranes en poches dans ce dernier pour pouvoir séparer le perméat du courant d'alimentation. À partir de cet état de la technique, l'objet de la présente invention est de concevoir un dispositif destiné à l'enrichissement sélectif du rétentat et du perméat extraits des courants d'alimentation gazeux, lequel dispositif peut non seulement être fabriqué avec de faibles coûts, mais permet aussi d'obtenir de plus forts taux d'évacuation du rétentat et du perméat, en particulier en fonction d'une unité de temps et d'une taille prédéfinie du dispositif, que ceux obtenus dans les dispositifs connus.L'objet susmentionné est résolu par un dispositif caractérisé par un boîtier délimitant un compartiment de réception rectangulaire, dans lequel les membranes de forme rectangulaire sont disposées de manière à entrer en contact avec le boîtier le long de leurs deux côtés longitudinaux opposés et caractérisé par le fait que les membranes délimitent avec le boîtier le long de leurs deux autres côtés, sur toute la largeur de chaque membrane, un compartiment de circulation rectangulaire, dans lequel circule le courant d'alimentation. Du fait que, selon la présente invention, le boîtier délimite un compartiment de réception rectangulaire, dans lequel les membranes rectangulaires sont disposées de manière à entrer en contact avec le boîtier le long de leurs deux côtés longitudinaux opposés et du fait que les membranes délimitent avec le boîtier le long de leurs deux autres côtés, sur toute la largeur de chaque membrane, un compartiment de circulation rectangulaire dans lequel circule le courant d'alimentation, il a été possible de prévoir de plus grandes dimensions pour le compartiment de réception du courant d'alimentation qui doit pénétrer dans chaque membrane, constituée de préférence en empilement de membranes en poche ; il en résulte également une augmentation des taux d'évacuation du perméat et du rétentat, déterminés en fonction d'une unité de temps et d'une dimension prédéfinie du dispositif, de telle sorte que, dans l'ensemble, le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est plus rentable que celui des dispositifs connus.Il s'y ajoute que la conception rectangulaire des membranes et la présence du compartiment de réception dans le boîtier permettent d'obtenir une circulation forcée du courant d'alimentation, de telle sorte que le courant d'alimentation traverse chaque membrane le long de lignes d'écoulement sensiblement parallèles, d'un compartiment de circulation vers l'autre, et ne suit pas le trajet le plus court pour parvenir dans l'autre compartiment de circulation, comme c'est le cas dans les dispositifs connus conçus avec des membranes cylindriques, car ceci réduirait nettement le taux d'enrichissement en perméat prévu. Le dispositif conforme à l'invention et sa conception rectangulaire permettent également d'éviter la formation de courants de Foucault involontaires, empêchant le passage et dus à la conception cylindrique de la membrane. Par ailleurs, les composants rectangulaires, en particulier s'il s'agit de pièces du boîtier, sont plus faciles à fabriquer et aussi à assembler que les composants cylindriques, de telle sorte que le dispositif conforme à l'invention peut être fabriqué avec de faibles coûts pour des taux d'évacuation nettement plus élevés. Dans un mode de réalisation préféré du dispositif conforme à l'invention, les différentes membranes sont séparées les unes des autres par des cloisons qui s'étendent à l'intérieur du boîtier et qui sont munies d'orifices en disposition alternée pour le passage du courant d'alimentation, de telle sorte que le compartiment de circulation, partagé par les cloisons en plusieurs compartiments partiels, est muni d'un orifice susmentionné et reste séparé d'ailleurs du compartiment partiel suivant. Cette circulation forcée associée à un écoulement parallèle par l'intermédiaire des cloisons permet de garantir, en liaison avec la conception rectangulaire de l'ensemble du dispositif, un taux élevé d'évacuation du perméat et du rétentat. Dans un autre mode de réalisation particulièrement préféré du dispositif conforme à l'invention, au moins un des deux couvercles, montés aux extrémités, forme avec le boîtier un assemblage par brides boulonnées et le couvercle concerné est situé à une distance axiale déterminée de la membrane voisine, de manière à former d'autres compartiments de circulation à l'intérieur du boîtier. Il s'est avéré que la présence d'autres compartiments de circulation aux dimensions suffisamment grandes, situés au début et à la fin du boîtier, permet de diminuer la résistance face à l'admission et à l'évacuation du courant d'alimentation et du flux de rétentat, ce qui favorise à nouveau les taux élevés d'évacuation du perméat.Du fait qu'au moins un des deux couvercles du boîtier forme avec le boîtier un assemblage par brides boulonnées, il est possible de remplacer rapidement et à moindre coût les empilements de membranes en poches usagés. Par ailleurs, un assemblage susmentionné peut être réalisé à moindre coût, ce qui diminue les coûts de fabrication du dispositif. Dans un autre mode de réalisation préféré du dispositif conforme à l'invention, les membranes situées face aux couvercles du boîtier et directement voisines sont maintenues dans leur position de montage par des douilles d'écartement, qui entourent radialement le canal central et dont les extrémités sont guidées hors du boîtier avec les extrémités libres du canal central. Cette disposition permet d'assurer non seulement la position de montage de chaque empilement de membranes en poches à l'intérieur du boîtier, mais aussi de réaliser éventuellement pour le flux de perméat une voie d'évacuation hors du boîtier sur les deux côtés du canal central, ce qui permet à nouveau d'augmenter les taux d'évacuation du perméat. Le dispositif conforme à la présente invention est expliqué en détail ci-après à l'appui des figures du dessin. Le dessin montre dans une représentation schématique et non complète figure 1 : une coupe longitudinale du dispositif comprenant deux empilements de membranes en poches figure 2 : une vue de dessus sur la représentation partielle selon la figure 1. Le dispositif représenté partiellement par une coupe longitudinale sur la figure 1 forme dans l'ensemble un type de module à membranes, qui est formé d'un canal central 10 en forme de tube collecteur du perméat, des membranes formant des empilements de membranes en poches 12, séparés par des cloisons 14, et d'un boîtier rectangulaire 16, dont les parois frontales sont fermées par les couvercles 18 et 20. Le montage détaillé des membranes dans un dispositif susmentionné a été décrit dans DE 44 13 362 C1, par exemple, de telle sorte que le montage du présent dispositif n'est abordé que dans la mesure où il est nécessaire pour l'explication de la présente invention. La représentation de la figure 1 reproduit selon un angle de vue le montage habituel du dispositif. Les membranes sélectives 12, perméables aux solvants et/ou perméables à l'eau, sont empilées les unes derrière les autres à l'intérieur du boîtier 16, à une distance déterminée les unes des autres le long du canal central 10, un orifice 22 étant prévu sur un côté du couvercle de boîtier supérieur 18 pour l'admission d'un courant d'alimentation gazeux. Dans le prolongement de ce premier orifice 22, il est prévu de réaliser dans le couvercle de boîtier inférieur 20 un autre orifice 24 du boîtier 16 pour l'évacuation du rétentat. Par ailleurs, les couvercles de boîtier 18, 20 sont munis en leur milieu des orifices 26 et 28, par lesquels est évacué le perméat extrait du courant d'alimentation gazeux.La séparation du perméat évacué par le canal central 10, ainsi que l'obtention du rétentat évacué par l'orifice 24 sont possibles du fait que le courant d'alimentation traverse les membranes 12, les unes après les autres, selon la méthode d'une circulation forcée. Le courant d'alimentation est en règle générale un courant gazeux et peut contenir une part d'eau. En outre, le courant d'alimentation peut être introduit dans le dispositif à une température très élevée, sous une pression très élevée, avec une pression ambiante normale, mais aussi avec une dépression, cette dernière situation étant possible du fait que l'on introduit dans le dispositif un système de refroidissement, qui permet alors de maintenir à un très faible niveau la pression partielle de la vapeur d'eau dans la partie du dispositif où circule le perméat. Le mode de réalisation susmentionné est expliqué en détail dans DE 44 13 362 C1. Le courant d'alimentation cité, qui est admis dans le dispositif, provient par exemple de la désorption des adsorbants, des processus de dessiccation, des procédés d'assainissement des sols, de la filtration des effluents gazeux et du recyclage des solvants. Cette énumération ne prétend pas être exhaustive et il est possible de la compléter par un grand nombre d'autres applications possibles. Le but du dispositif est toutefois de séparer et d'extraire du courant d'alimentation, d'une part, les composants gazeux évacués sous forme de rétentat appauvri en perméat et, d'autre part, le perméat proprement dit et le condensat qui se forme éventuellement sous forme d'eau.En ce qui concerne le perméat, il peut s'agir de solvants, mais aussi d'autres substances ou mélanges de substances, à séparer ou à extraire du courant d'alimentation, lesquels, par l'intermédiaire des membranes sélectives citées, perméables aux solvants ou à l'eau, peuvent être séparés du courant d'alimentation et peuvent être dirigés vers le côté où sera évacué le perméat. Le rétentat appauvri en perméat, le plus souvent sous forme d'air et/ou d'azote, est évacué du dispositif par l'intermédiaire de l'orifice inférieur 24 cité du boîtier 16. Comme le montre en particulier la figure 2, le boîtier 16 est de forme rectangulaire et ses parois extrêmes délimitent un compartiment de réception 30 rectangulaire, dans lequel les membranes 12 de forme rectangulaire, constituées par des empilements de membranes en poches, sont disposées de manière à entrer sensiblement en contact avec le boîtier 16 le long de leurs deux côtés longitudinaux 32 opposés. Le long de ses deux autres côtés 34, chaque membrane 12 délimite avec la face intérieure du boîtier 16 un compartiment de circulation 36 rectangulaire, dans lequel circule le courant d'alimentation. Les différentes membranes 12 sont séparées les unes des autres par des cloisons 14 qui s'étendent à l'intérieur du boîtier 16 et qui sont munies d'orifices 38 en disposition alternée pour le passage du courant d'alimentation, de telle sorte que le compartiment de circulation 36, partagé par les cloisons 14 en plusieurs compartiments partiels 40, est muni d'un orifice 38 susmentionné et reste séparé d'ailleurs du compartiment partiel 40 suivant. Chaque couvercle de boîtier 18, 20 est disposé à une distance axiale déterminée de la membrane 12 voisine, de manière à former d'autres compartiments de circulation 42 à l'intérieur du boîtier 16. Par ailleurs, le couvercle de boîtier supérieur 18 forme avec le boîtier 16 un assemblage par brides boulonnées, l'étanchéité de l'assemblage par brides étant assurée par des joints d'étanchéité et l'assemblage par brides étant maintenu d'ailleurs par des vis 44.Les membranes 12 situées face aux couvercles de boîtier 18, 20 et directement voisines sont maintenues dans leur position de montage représentée par l'intermédiaire de douilles d'écartement 46 cylindriques, lesdites douilles d'écartement entourant radialement l'extrémité libre du canal central 10 et leurs extrémités étant guidées hors du boîtier 16 avec les extrémités libres dudit canal central, de telle sorte qu'il existe deux possibilités d'évacuation du perméat. Le sens d'écoulement du courant d'alimentation, du rétentat et du perméat est reproduit sur la figure 1 par les flèches correspondantes. Lorsque le courant d'alimentation gazeux est introduit par l'orifice 22 dans le compartiment de réception 30 correspondant, délimité par le boîtier 16, il pénètre d'abord dans le compartiment de circulation supérieur 42, dont les dimensions sont suffisamment grandes pour ne pas opposer une nette résistance à l'admission du courant d'alimentation. À partir du compartiment de circulation 42, le courant d'alimentation traverse l'orifice 38 réalisé dans la cloison 14, puis il est amené dans le sens de la flèche sur la membrane supérieure 12 sur toute la hauteur à l'intérieur du premier compartiment partiel 40. À cet effet, le courant d'alimentation pénètre dans la membrane supérieure 12 sur toute la largeur du côté 34, représenté à droite, de l'empilement de membranes en poches 12, avec un sens d'écoulement sensiblement parallèle, et le compartiment partiel (non représenté), situé en aval du canal central 10 dans le sens de l'écoulement et conçu également avec des dimensions suffisamment grandes, n'oppose pratiquement aucune résistance au passage du courant d'alimentation. Dans le cas présent, il est également important que, par leur forme rectangulaire, les empilements de membranes en poches 12 puissent être conçus dans des dimensions inférieures à celles nécessaires antérieurement avec les dispositifs cylindriques, tout en présentant un taux d'évacuation analogue, du fait que ledit empilement de membranes oppose aussi une plus faible résistance à l'écoulement du courant d'alimentation.Après la déviation du courant d'alimentation et le passage à travers un autre orifice (non représenté) dans la cloison 14, située en aval dans le sens de l'écoulement, le courant d'alimentation s'écoule dans le sens inverse à travers l'empilement de membranes en poches inférieur 12 et parvient sous forme de rétentat dans l'autre compartiment de circulation 42 inférieur, après avoir traversé le compartiment partiel inférieur 40 et une autre voie de passage 38 réalisée dans la cloison inférieure 14, puis parvient à l'extérieur par l'intermédiaire de l'orifice 24. Par contre, la part du courant d'alimentation appauvrie en perméat lors du passage à travers les membranes 12 est évacuée du boîtier 16 par les orifices 26 et 28 du canal central 10. Dans un mode de réalisation modifié (non représenté), il est toutefois possible de prévoir également que le perméat ne puisse être évacué vers l'extérieur que par une seule voie de passage réalisée dans le canal central. Il est aussi possible pour augmenter le rendement du dispositif conforme à l'invention, de disposer les uns derrière les autres plus de deux empilements de membranes en poches 12. De ce fait, il faut concevoir un boîtier 16 plus grand dans le sens axial, conformément au nombre de membranes sélectives 12 à installer ; néanmoins, la technique de construction modulaire permet d'échelonner la taille du dispositif. Le dispositif de séparation conforme à l'invention constitue ainsi un type de module avec courant d'alimentation élevé, adapté aux applications les plus diverses avec des taux élevés d'évacuation du perméat et du rétentat. REVENDICATIONS 1. Dispositif comprenant des membranes sélectives (12), perméables aux solvants et/ou perméables à l'eau, qui sont empilées les unes derrière les autres à une distance déterminée les unes des autres le long d'un canal central (10) à l'intérieur d'un boîtier (16), qui est muni d'orifices (22, 24, 26, 28) pour l'admission d'un courant d'alimentation, ainsi que pour l'évacuation du rétentat et du perméat, le courant d'alimentation s'écoulant à travers les membranes (12), les unes après les autres, afin de séparer le perméat et d'obtenir le rétentat, caractérisé en ce que le boîtier (16) délimite un compartiment de réception (30) rectangulaire, dans lequel les membranes (12) rectangulaires sont disposées de manière à entrer en contact avec le boîtier (16) le long de leurs deux côtés longitudinaux opposés (32) et en ce que les membranes délimitent avec le boîtier (16) le long de leurs deux autres côtés (34), sur toute la largeur de chaque membrane (12), un compartiment de circulation (36) rectangulaire, dans lequel circule le courant d'alimentation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différentes membranes (12) sont séparées les unes des autres par des cloisons (14) qui s'étendent à l'intérieur du boîtier (16) et qui sont munies d'orifices (38) en disposition alternée pour le passage du courant d'alimentation, de telle sorte que le compartiment de circulation (36), partagé par les cloisons (14) en plusieurs compartiments partiels (40), est muni d'un orifice susmentionné (38) et reste séparé d'ailleurs du compartiment partiel (40) suivant. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un des deux couvercles (18), montés aux extrémités, forme avec le boîtier (16) un assemblage par brides boulonnées et en ce que le couvercle de boîtier concerné (18, 20) est situé à une distance axiale déterminée de la membrane (12) voisine, de manière à former d'autres compartiments de circulation (42) à l'intérieur du boîtier (16). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les membranes (12) situées face aux couvercles du boîtier (18, 20) et directement voisines sont maintenues dans leur position de montage par des douilles d'écartement (46), qui entourent radialement le canal central (10) et dont les extrémités sont guidées hors du boîtier (16) avec les extrémités libres du canal central (10).