Brevet FR2751736A1 — publié le 19980130

La présente invention concerne le domaine technique des échangeurs d'un milieu fluide au sens général, et elle vise plus particulièrement, le domaine de l'échange de chaleur et celui préféré de l'échange de matières ou de la séparation moléculaire ou particulaire. Dans le domaine préféré ci-dessus, l'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la nanofiltration, l'ultrafiltration, la microfiltration, la filtration ou l'osmose inverse. Dans le domaine de l'échange de matières ou de chaleur, une installation comporte, d'une manière générale, un appareil échangeur relié en entrée à un circuit d'alimentation d'un milieu fluide et, en sortie, à un circuit de sortie du milieu fluide. L'appareil échangeur comporte généralement une série de canaux ménagés dans un support rigide et à l'intérieur desquels le milieu fluide circule. Dans le domaine technique de la séparation, un ou plusieurs canaux sont ménagés à l'intérieur d'éléments de filtration de forme tubulaire. Chaque élément de filtration est constitué d'un support poreux à l'intérieur duquel est ménagé un ou plusieurs canaux dont la surface interne est pourvue d'au moins une couche séparatrice dont la nature et la morphologie sont adaptées pour assurer la séparation des molécules ou des particules contenues dans le milieu liquide circulant à l'intérieur des canaux. Un tel élément de filtration réalise, par effet tamis, une séparation des espèces moléculaires ou particulaires de produits à traiter, dans la mesure o toutes les molécules ou particules supérieures au diamètre des pores de la couche séparatrice sont arrêtées. L'élément de filtration répartit ainsi le volume entrant en un premier volume appelé filtrat ou perméat et contenant les molécules ou particules ayant traversé l'élément de filtration et en un second volume, contenant les molécules ou particules retenues par l'élément de filtration. Il est ainsi connu de constituer un appareil échangeur formant un module de filtration comportant une série d'éléments tubulaires de filtration placés côte à côte à l'intérieur d'un carter. Il peut ainsi être constitué un module contenant 252 éléments tubulaires de filtration de diamètre externe de 10 mm ou 37 éléments tubulaires de 25 mm de diamètre externe. Il apparaît, toutefois, que le milieu fluide d'échange ou à traiter comporte des éléments hétérogènes tels que des bulles ou des agglomérats de matière. De tels éléments hétérogènes, dont la taille est variable, sont susceptibles de provoquer le bouchage des canaux de circulation, dans la mesure o le canal n'est plus accessible au fluide. Il s'ensuit une réduction de la surface d'échange ou de filtration. Par ailleurs, il a été constaté que de tels éléments hétérogènes étaient susceptibles d'entrainer la destruction du support dans lequel sont aménagés les canaux de circulation du fluide. En effet, les modules sont destinés à subir une opération de nettoyage par l'intermédiaire de réactifs chimiques venant attaquer les matières déposées à l'intérieur des canaux, de manière à les détacher du support poreux. Or, la présence d'un élément hétérogène d'une masse relativement importante ne peut pas être détruite par les réactifs chimiques. Au contraire, les éléments hétérogènes subissent une réaction de dégradation entraînant une variation volumique des éléments hétérogènes qui sont alors susceptibles d'exercer sur les parois des canaux une pression telle que le support se trouve brisé. Il a été noté également que les éléments hétérogènes, tels que les bulles, sont susceptibles d'entraîner une destruction des supports. En effet, des bulles d'air apparaissent dans le milieu à traiter en raison d'un mauvais remplissage de l'installation ou à des cavitations des pompes de circulation ou un dégazage du fluide. Si des bulles restent dans l'installation, leur pression interne peut augmenter au fur et à mesure de leur passage à l'intérieur du module d'échange. Cette accumulation d'énergie à l'intérieur des bulles va engendrer à un moment donné, leur détente sous la forme d'un coup de bélier. L'onde développée par ce coup de bélier peut alors provoquer la destruction des supports d'échange. L'objet de l'invention vise à donc à remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus en proposant un dispositif permettant d'éviter que des éléments hétérogènes d'un milieu fluide destinés à circuler à l'intérieur d'un appareil échangeur viennent à réduire la surface d'échange ou à détruire les supports des canaux. L'objet de l'invention vise donc à proposer un dispositif permettant de fragmenter les éléments hétérogènes d'un milieu fluide avant leur circulation à l'intérieur d'un appareil échangeur. Conformément à l'invention, le dispositif de fragmentation est constitué par une grille munie de passages présentant chacun une dimension inférieure à la plus petite dimension de la section de passage des canaux, en vue d'assurer la fragmentation des éléments hétérogènes avant leur passage dans l'appareil échangeur. L'objet de l'invention vise également à proposer une installation incluant un appareil échangeur relié en entrée, à un circuit d'alimentation d'un milieu fluide et en sortie, à un circuit de sortie du milieu fluide. Conformément à l'invention, l'installation comporte un dispositif pour fragmenter les éléments hétérogènes du milieu fluide, disposés sur le circuit d'alimentation à une distance de l'entrée de l'appareil échangeur comprise entre 0 et 300 mm. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique partielle d'un appareil échangeur comportant un dispositif de fragmentation conforme à l'invention. La fig. 2 est une vue à plus grande échelle montrant l'objet de l'invention. La fig. 3 est une vue en coupe transversale montrée sensiblement selon les lignes III-III de la fig. 2. Il doit être considéré que l'objet de l'invention est destiné à être mis en oeuvre dans une installation 1 d'échange de chaleur ou de matière, au sens général. La description qui suit sera effectuée pour une installation assurant un échange de matière, à savoir la séparation ou la filtration de molécules ou de particules contenues dans un milieu fluide, de préférence, liquide de nature diverse comportant une phase solide ou non. Bien entendu, l'objet de l'invention peut s'appliquer pour un échangeur de chaleur. Dans l'exemple illustré à la fig. 1, l'installation de filtration 1 comporte un appareil échangeur ou de séparation 2 formant, dans l'exemple illustré, un module de filtration alimenté en milieu fluide à traiter par un circuit d'alimentation 3 et raccordé en sortie, à un circuit de retour 4. Le module de séparation 2 comporte, de manière classique, un circuit 5 de récupération de la partie du milieu fluide ayant subi la séparation, à savoir le perméat ou le filtrat. Tel que cela apparaît plus précisément a la fig. 2, le module 2 comporte au moins un et, dans l'exemple illustré, une série d'éléments d'échange ou de filtration 7 de forme tubulaire. Chaque élément de filtration 7 comporte un support poreux rigide 8 réalisé de préférence mais non exclusivement, en matière inorganique dont la résistance au transfert est adaptée à la séparation à effectuer. Dans l'exemple préféré, le support 8 est réalisé à partir de matériaux inorganiques tels que des oxydes métalliques, du carbone ou des métaux. Le support 8 possède une forme extérieure cylindrique de section droite transversale hexagonale ou, comme illustré, circulaire. Chaque élément de filtration 7 comporte au moins un et, de préférence, plusieurs canaux 9 réalisés parallèlement à l'axe longitudinal du support. Les canaux 9 présentent chacun une surface recouverte par au moins une couche séparatrice non représentée destinée à être en contact avec le milieu fluide à traiter circulant à l'intérieur des canaux 9. La nature de la ou des couches séparatrices est choisie en fonction du pouvoir de séparation ou de filtration à obtenir et forme avec le support 8 une liaison intime de façon que la pression provenant du milieu liquide soit transmise au support poreux. Chaque canal 9 présente une section droite pouvant présenter des formes diverses, telles que circulaires ou pseudo- circulaires. Les éléments de filtration 7 sont placés à l'intérieur d'un carter 11 de forme cylindrique dont chaque extrémité est pourvue d'une plaque 12 de positionnement des éléments de filtration 7. Tel que cela apparait plus précisément à la fig. 2, les éléments 7 s'étendent à l'intérieur du carter 10 en faisant saillie par leur extrémité, à partir de la face transversale 12, des plaques 12 fixées sur les extrémités du carter 11. De manière classique, la face transversale 12, des plaques d'extrémité 12 est destinée à recevoir un joint 13 conformé pour entourer les extrémités des tubes 7. Le joint 13 est destiné à être comprimé par l'intermédiaire d'une plaque de serrage 14 permettant d'assurer une étanchéité des tubes 7 par rapport à l'intérieur du carter 11. La plaque de serrage 14 est percée d'une série de trous 15 réalisés chacun en regard ou en vis-à-vis avec un élément de filtration 7. Chaque plaque de serrage 14 est montée sur la plaque d'extrémité 12 par l'intermédiaire de goujons 16 s'étendant à partir de la plaque d'extrémité et fixée à l'aide d'écrous 17. Conformément à l'invention, l'installation 1 est destinée à être équipée d'un dispositif 20 conforme à l'invention assurant une fragmentation des éléments hétérogènes du milieu fluide à traiter. Par éléments hétérogènes, il doit être compris des agglomérats ou des particules de matière correspondant à des interactions entre les espèces présentes dans le milieu fluide ou à des arrachements de dépôt sur les parois des circuits de l'installation. Par éléments hétérogènes, il doit être aussi considéré des bulles. Le dispositif de fragmentation 20 conforme à l'invention est constitué par une grille munie de passages 21 présentant chacun au moins une dimension inférieure à la plus petite dimension de la section de passage des canaux 9, en vue d'assurer une fragmentation des éléments hétérogènes en éléments dont les dimensions sont plus faibles que celles des canaux 9. Aussi, chaque passage 21 présente une dimension égale à la plus petite dimension de la section de passage des canaux, divisée par un nombre n, o n est compris entre 1,5 et 10 et, de préférence, entre 2 et 4. Le dimensionnement des passages 21 permet d'obtenir une fragmentation des éléments hétérogènes en éléments de dimensions plus faibles non susceptibles d'obstruer les canaux 9. Selon une forme préférée de réalisation, la grille 20 est comprise de fils entrecoisés 22 présentant chacun un diamètre compris entre 0,1 et 2 mm et, de préférence, compris entre 0,3 et 0,5 mm. De préférence, cette grille est réalisée à partir de fils métalliques entrecroisés. Il est à noter que la fragmentation des éléments hétérogènes est avantageusement obtenue par le choix de la section des fils 21 dont la faible valeur permet de disposer, d'une part, d'un fil possédant un pouvoir coupant important et, d'autre part, d'une faible perte de charge pour le passage du milieu fluide. Il est à noter que la grille 20 peut également être formée par une plaque percée de trous formant chacun un passage 21. La section des passages 21 peut présenter diverses formes, par exemple, circulaire ou en forme de parallélogramme. De plus, les passages 21 sont aménagés de manière que leur nombre soit au moins égal au nombre de canaux 9. De plus, les passages 21 sont ménagés de manière que chaque canal 9 se trouve placé dans l'alignement d'un passage 21. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la grille de fragmentation 20 est montée à une distance d de l'entrée de l'appareil échangeur comprise entre 0 et 300 mm et, de préférence, entre 0 et 10 mm. L'entrée du module échangeur 2 est prise à partir du plan passant par les faces transversales des éléments de filtration 7. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque grille 20 est montée sur la plaque de serrage 14 du côté externe du module et du côté du circuit d'alimentation 3. La grille 20 possède des dimensions extérieures sensiblement identiques à celles de la plaque de serrage 14, comme cela apparaît clairement à la fig. 3. Cette grille 20 est montée sur les goujons 16 en étant fixée par l'intermédiaire des écrous 17. Selon une autre variante de réalisation, il est à noter que la grille 20 peut constituer la plaque de serrage 14. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour fragmenter des éléments hétérogènes d'un milieu fluide destiné à circuler à l'intérieur d'une série de canaux de passage (9) d'un appareil échangeur (2), caractérisé en ce qu'il est constitué par une grille (20) munie de passages (21) présentant chacun une dimension inférieure à la plus petite dimension de la section de passage des canaux (9), en vue d'assurer la fragmentation des éléments hétérogènes avant leur passage dans l'appareil échangeur. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille (20) présente des passages (21) dont une dimension est égale à la plus petite dimension de la section de passage des canaux (9), divisée par n, avec n compris entre 1,5 et et, de préférence, entre 2 et 4. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la grille (20) est composée de fils entrecroisés (22) définissant les passages (21), le diamètre des fils étant compris entre 0,1 et 5 mm et, de préférence, entre 0,3 et 0,5 mm. 4 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la grille (20) est formée d'une plaque percée de trous formant les passages (21). - Installation comportant un appareil échangeur (2) relié, en entrée, à un circuit (3) d'alimentation d'un milieu fluide et, en sortie, à un circuit de sortie (4) du milieu fluide, l'appareil échangeur (2) comportant une série de canaux (9) à l'intérieur desquels le milieu fluide est destiné à circuler, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif (20) pour fragmenter les éléments hétérogènes du milieu fluide, conforme à l'une des revendications 1 à 4, disposé sur le circuit d'alimentation à une distance de l'entrée de l'appareil échangeur comprise entre 0 et 300 mm et, de préférence, entre 0 et 10 mm. 6 - Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de fragmentation (20) placé à une distance déterminée de l'entrée d'un appareil échangeur formant un module de filtration. 7 - Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de fragmentation (20) placé à une distance déterminée de l'entrée d'un appareil échangeur formant un échangeur de chaleur. 8 - Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif de fragmentation (20) est fixé sur une plaque de serrage (14) exerçant une pression sur un joint d'étanchéité (13) monté sur une plaque d'extrémité (12) du module assurant le montage de tubes de filtration (7). 9 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de fragmentation (20) constitue la plaque de serrage (14). - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de fragmentation (20) présente des dimensions extérieures sensiblement identiques de celles de la plaque de serrage (14).