CA1052284A - Appareil a membranes tubulaires sur supports pour le traitement de fluides - Google Patents

Abstract

Appareil à membranes sur supports tubulaires pour le traitement de fluides, comportant à l'intérieur d'un carter au moins une bobine comprenant un moyeu et autour au moins un élément support de membrane tubulaire relié de manière étanche audit carter des moyens pour l'introduction et/ou l'évacuation d'un fluide à l'intérieur dudit carter et à l'extérieur dudit élément et des moyens pour relier l'intérieur dudit élément à l'extérieur dudit appareil. Cet appareil est caractérisé en ce que chaque élément est constitué par un conduit poreux continu, muni d'au moins un canal longitudinal relié à l'extérieur de l'appareil, couvert extérieurement d'une membrane perméable aux fluides et régulièrement enroulé autour du moyeu de ladite bobine. Un tel appareil est utilisable notamment pour le traitement de l'eau par osmose inverse.

Description

La présente invention concerne un appareil à membranes sur supports tubulaires bobinés pour le traitement de fluides.
De tels appareils sont susceptibles d'être utilisés, soit comme échangeurs entre deux fluides, soit comme séparateurs de fluides, liquides ou gazeux, dans diverses applications telles que l'osmose inverse, l'ultrafiltration~ la perméation gazeuse, la dialyse.
~ es appareils ~ membranes sur supports tubulaires bobinés sont susceptibles de présenter généralement des compacités relativement élevées et des conditions d'écoulement hydrodynamiques favorables aux échanges de fluides. Toutefois dans les appareils connus de ce type, les éléments tubulaires sont revêtus intérieuremen-t dlune membrane, aussi la compacité
de ces appareils n'est-elle pas aussi élevée que possible et n'est-~ pas toujours aisé de ~érifier l'état des membranes et de les nettoyer.
~ a présente invention a pour objet des appareils pour le traitement de fluides offrant une compacité élevée~ aptes à
être traversés par des débits élevés d'un fluide de balayage, à ~;
oollecter le perméat de façon efficace et à offrir aux fluides .,.
; de bonnes conditions d'écoulement.
Elle a également pour objet des appareils d'entretien aisé, permettant notamment de vérifier facilement l'état des membranes et de les nettoyer le cas échéant.
Il a été trouvé un appareil à membranes sur supports tubulaires pour le traitement de fluides7 comportant à l'intérieur d'un carter , au moins une boblne comprenant un moyeu et autour au moins un élément support de membrane tubulaire relié
I de manière étanche au carter J des moyens pour l'intro-duction et/ou l'évacuation d'un fluide à l'intérieur du carter et a l'extérieur dudit élément et des moyens pour relier :, .

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ll~S'~Z1~4 l'intérieur dudit élément à l'extérieur dudit appareil. Cet appareil est carac-térisé en ce que chaque élément est constitué
par un conduit poreux continu, muni dlau moins un canal longitudinal relié à l'extérieur de l'appareil, couvert exté-rieurement d'une membrane perméable aux fluides et régulièrement enroulé autour du moyeu de ladite bobine.
La compréhension de l'invention sera facilitée par les figures ci-jointes qui illustrent, à titre d'exemples, schéma-tiquement et sans échelle déterminée, divers modes de réalisation.
~a figure l est la vue en coupe selon un plan axial I, I d'un premier mode de réalisation d'un appareil selon l'invention.
~a figure 2 est la vue en coupe selon un plan radial II, II de l'appareil représente figure 1.
~a figure ~ est la vue en coupe d'une section droite dlun élément support de membrane tubulaire bobiné équipan-t l'appareil selon l'invention.
~a figure 4 est, à titre de comparaison, la vue en coupe d'une section droite d'un élément support de membrane tubulaire bobiné équipant les appareils de types connus.
~a figure 5 est la vue par-tielle en coupe selon un plan axial V, V d'un second mode de réalisation d'un appareil selon l'invention.
~a figure 6 est la vue partielle en coupe selon un plan radial VI, Vl de l'appareil représenté figure 5.
`~ En se référant aux figures 1 et 2, on voit ~ue l'appareil du type séparateur de fluides comprend un carter constitué
par une cuve cylindrique 1 e-t un couvercle 2 assemblés de manière étanche par des moyens connus, par exemple par des boulons 3 et des joints appropriés. A l'intérieur de l'appareil on dispose un moyeu cylindrique creux 4 selon l'axe de la cuve.
3 ~e moyeu peut être fixé sur la cuve et/ou sur le couvercle par .
~ 2 ', lOS;~ 34 tous moyens connus tels que des boulons 5. Des joints ~non représentés) assurent l'étanchéité à ses extrémités. Ce moyeu sert de support à plusieurs bobines dont, pour plus de clarté, une seule a été représentée.
~ a bobine 6 est constituée de 5 éléments supports de membrane tubulaire identiques dont quatre sont représentés schématiquement par des rectangles avec leur diagonales.
Chaque élément support de membrane 7 est constitué par un conduit poreux continu 8 muni d'un canal longitudinal axial 9 et couvert extérieurement d'une membrane 10 (voir figure 3).
~a membrane est généralement formée sur son support avant mise en forme de celui-ci. Une extrémité de ce canal aébouche dans l'orifice 11 d'un collecteur 12~ l'élément 7 étant relié
de manière étanche à ce collecteur, par exemple à l'aide d'un manchon en élastomère. ~'élément 7 est régulièrement bobiné
en spirale dans un plan radial depuis le moyeu 4 jus~u'au collecteur 12. Pour cela cette première couche de spires repose sur un support ajouré constitué par exemple par une série de 6 barrettes radiales 13 fixées sur le moyeu 4. Une deuxième couche de spires repose sur la précédente, l'élément 7 étant à nouveau régulièrement bobiné en spirales depuis le moyeu 4 jus~u'au collecteur 12 auquel il est, à sa deuxième extrémité, relié de manière étanche. ~a deuxième extrémité du canal 9 débouche dans l'orifice 14 du collecteur 12.
~insi chaque élément support de membrane 7 est bobiné
en spirale, ses deux extrémités étant reli~es de manière étanche au ¢ollecteur 12. Celui-ci débouche dans le canal principal 15 situé à l'intérieur du moyeu 4. Une deuxième série de 6 barrettes radiales 16, identiques aux barrettes 13, maintient latéralement les éléments 7 bobinés en spirales.
~e canal principal 15 communique par l'orifice 17 avec l'extérieur de l'appareil. En outre les orifices 18 9UX
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lQS~Z8g le couvercle 2 et 19 sur la cuve 1 permettent l'introduction et/ou l'évacuation d'un fluide ~ l'intérieur du carter de 1'appareil et permettent de le faire circuler autour des élé-ments bobinés 7.
Avantageusement on dispose autour de la bobine 6, sur les parois internes de la cuve 1 une ou plusieurs couches 20 d'un matériau souple, élastique et sensiblement étanche aux fluides, par exemple une feuille en matériau mousse telle qu'une feuille souple en mousse de polyuréthane expansé.
Ce matériau occupe l'espace compris entre la bobine 6 et le collecteur 12 d'une part et le carter de l'appareil d'autre part. Il oblige le fluide circulant à l'extérieur des éléments tubulaires 7 supports de membrane à s'infiltrer en totalité autour de ces éléments.
~e ~onctionnement de cet appareil, utilisé par exemple pour une opération de séparation par os~ose inverse, est le suivant. ~a solu-tion à traiter pénètre par l'orifice 18 dans l'appareil dont elle remplit tout le volume disponible. Elle circule autour des membranes et elle est soumise par des moyens , connus non représentés à la pression désirée. Sous l'e~fet de cette pression, le solvant traverse sélectivemen-t les membranes~
alors que le soluté est retenu à l'extérieur des membranes et es~ évacué par l'orifice 19~ Le solvant, après avoir traversé
les membranes et leur suppor-t poreux 8~ gagne le canal axial 9 qu'il parcourt jusqu'à atteindre le collecteur 12, puis le canal principal 15; il est alors recueilli à l'orifice 17. --L'élément poreux support de membrane tubulaire peut l avoir une section droite de forme quelconque, par exemple poly-j gonale ou elliptique, mais elle est avantageusement circulaire.
ae-t élément peut ~tre muni de plusieurs canaux longitudinaux, mais il est généralement muni d'un seul canal axial dont la section droite est avantageusement homothétique de celle de ~ . F ~
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l'él~ment poreux; elle peut donc être par exemple circulaire~
~ es dimehsions transversales et longitudinales des éléments poreux supports de membranes tubulaires peuvent être déterminées par le technicien pour permettre la fabrication e~
l'entretien aisés de l'appareil. Dans les appareils de types séparateurs ces dimensions seront déterminées relativement les unes par rapport aux autres pour permettre un écoulement normal - ' du fluide ayant traversé la membrane.
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Des éléments de section circulaire ont des diamètres ext~rieurs compris généralement entre 1 et 10 mm. Des éléments A~ .
de dia~ètres supérieurs seraient moins aisés à bobiner en spira-les et surtout offriraient une compacité ~c'est-à-dire un rapport surface de membrane sur volume d~appareil) plus faible, et des ~léments de diamètres inférieurs ~eraient plus difficiles mettre en oeu~re et risqueraient de se boucher.
aomme éléments poreux~ on peut utiliser divers matériaux assez résistants pour supporter une membrane et au moins aussi perméables aux fluides que la membrane qu'ils -supportent. C~est ainsi que l'on peut utiliser par exemple de9 fibres de verre liées par une résine, ou des matériaux thermoplastiques poreux ou perforés. On peut aussi utiliser des profilés souples recouverts par exemple d~une bande en non ti9sé enroul~e hélico~dalement. On préfère toutefois utiliser une gaine textile tissée, tressée ou tricotée formant un~ '' cordonnet. On peut utiliser comme support de membrane les cordonnets décrits dans les demandes de brevets français publiées sous les No. 2 ~82 730 et 2 194 ~61. Toutefois on pr'éfère utiliser les cordonnets creux et souples décrits dans le brevet belge ~o. 814 9530 ~n effet, ces derniers présentent une texture homogène, serrée et stabilisée par chauffage à
coeur, leur permettant d~être enroulés en spires régulières selon des ra~ons de courbure compris notamment entre 1 et 10 cm et de .. . .
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conserver des sections droites sensiblement circulaires.
Les éléments supports de membrane sont revêtus de membranes perméables aux fluides et qui, de préférence, adhérent à leurs supports. Ces membranes sont le plus souvent des membranes semi-perméables, c'es-t-à-dire sélectivement perméables aux fluides. Ces membranes peuvent être du type homogène (ou dense~, microporeuse, anisotrope (à porosité variable ou à peau), ou encore composite, c'est-à-dire constituées de plusieurs couches de natures chimiques différentes. Ces divers types de membranes peuvent être obtenus par des procédés connus, par exemple coulée d'une solution suivie de l'élimination de son solvant, le plus souvent par évaporation ou coagulation.
Comme membrane, on peut employer toute membrane qui, ~ conservée à l'éta-t sec ou humide~ possède un -taux d'allongement ; ~ la rupture s~f~isant pour lui permettre d'épouser sans se rompre les rayons d9 oourbure minima imposés à l'élément suppor-t.
Par exemple, on peut employer pour l'osmose inverse des membranes à base d'acétate de cellulose telles que définies dans le brevet français No. l 426 548, ou des membranes échangeuses d'ions en ;
polyaryléthersulfones sulfonées selon le brevet américain No. 3 709 8~1; pour l'ultrafiltration des membranes en polyacryl-onitrile selon le breve-t belge No. 772 361 ou des membranes bi-ioniques à base de polyélectroly~es comp~exes selon le brevet français publié sous le ~o. 2 14~ 922 et pour la perméation ~azeuse, des membranes à base d'élastomères silicones ou de chlorure de polyvinyle microporeux~
`~,!` ~'appareil selon l'invention peut ~aire l'objet de diverses variantes de réalisa-tion à la portée du technicien.
Ainsi les figures 5 et 6 représentent un autre mode de réalisation d'un appareil selon l'invention. Ie carter cylindrique 21 est fermé à cha~ue extrémité par des fonds identiques dont l'un seulement 22 est représenté, muni d'un ~ ~5 ~ ~14 orifice axial 23 et d~un orifice latéral 24. ~e fond 22 est retenu par un anneau ouvert formant ressort 25 et l'étanchéité
est assurée par un joint torique 26. Des bobines semblables aux bobines 27 et 28 sont empilées sur toute la longueur de l'appareil. Ces bobines sont donc aisément superposables et amovibles. ~eurs moyellx respectifs 29 et 30 sont alignés suivant l'axe de l'appareil et centrés dlune part sur le bossage interne 31 de chaque fond et d'autre part sur des manchons tels que 32 munis de bagues d'étanchéité appropriées.
~es membranes tubulaires sont disposées en spirales autour des moyeux 29 et 30 et sont maintenues latéralement par ; des disques ajourés tels que 33 et ~4 et sur leur périphérie par une gaine étanche ~9. ~es extrémités ouvertes des éléments ~upports de membranes tubulaires débouchent par des orifices , .
tels que 35 dans un collecteur 36 relié par des canaux 37 au canal principal ~8 qui communique par l'orifice 2~ avec l'ex~é-rieur de l'appareil. Une entretoise 40 maintient un espace convenable entre le dis~ue ~3 et le fond 22 et permet à un . ...... .
fluide pénétrant par l'orifice 24 de se répartir autour des membranes tubulaires à l'intérieur de l'appareil.
~e fluide n'ayant pas traversé les membranes sort par l'orifice homologue de l'orifice 24 à l'extrémité opposée de llappareil. ~e fluide ayant traversé les membranes s'écoule par les orifices 35 dans le collecteur 36, les oanaux 37 et 38 et l'orifice 23.
En ~ariante chaque élément support de membrane peut être relié par une seule extrémité au collecteur 12 et l'extré- -mité opposée peut ~tre obturée à l'aide d'un embout plein. Com-me autre variante les collecteurs 12 de chaque bobine peuvent ~o reliés ensemble pour former un collecteur unique qui débouche ; directement à l'extérieur de l'appareil~ ~es élémen-ts 7 relient -alors chacun le canal principal 15 au collecteur unique 12.
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~'appareil comporte alors 4 orifices communiquant aveo l'exté-rieur, ce qui permet de faire circuler deux ~luides à l'inté-rieur de l'appareil qui peut alors fonctionner comme echangeur.
~ n variante également le bobinage des él~ments supports de membrane tubulaire autour du moyeu 4 dans des plans radiaux peut etre remplacé par un bobinage hélico~dal de ces éléments, ceux-ci constituant des couches concentriques.
Afin de faciliter l'écoulement d'un fluide autour des éléments supports de membrane tubulaire, on peut maintenir légèrement écartés les uns des autres les éléments contigus ~ l'aide de tous moyens connus tels que des entretoises de préférence minces, souples et réguliarement espacées, constituées par exemple par des lattes en matiares plasti~uev des fils~ des ~ilets à larges mailles~ etc.. Un espacement in~érieur ~ 1 mm, maintenu au moins tous les 5 cm donne de bons résultats.
Il peut etre intéressant dlenvelopper chaque bobine ~quipée de ses éléments supports de membrane tubulaire d'une gaine élastique ou de pr~férence thermo~etractable soit étanche ou soit perméable et constituée dans ce cas par exemple par un filet ou un tissu. Cette gaine permet de maintenir en position les éléments bobinés lors du montage ou de l'entretien de l~appa-reil.
Dans certains cas il peut êtr~ avantageux de prévoir aes chicanes qui obligent le fluide circulant à llextérieur des membranes tubulaires à effectuer un parcours déterminé.
On peut ainsi orienter le flux balayant les membranes et imposer sa ~itesse pour améliorer l'efficacité des échanges au niveau des membranes.
C'est ainsi que l'on peut disposer entre chaque élément -support de membrane des chicanes constituées, soit par des dis-ques, ~oît par des cylindres concentri~ues, décalées pour obliger le flux balayant les membranes ~ effectuer des parcours .. . . -8 ~
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~ (~S~Z84 en zig-zag selon des directions radiales, axiales ou meme en spirales.
~ appareil selon l'invention présente l'avantage d'~r une compacité élevée, c'est-à-dire une grande sur~ace_ de membrane dans un volume donné. En effet~ d7une part la possibilité de bobiner des supports de membrane tubulaires selon de~ diamatres ne dépassant pas quel~ues centimètres permet de réduire sensiblement le diamètre du moyeu 4. Dlautre part la mousse 20 protégeant les membranes tubulaires bobinées à la périphérie peut être réduite a une simple feuille. ~es membranes tubulaires bobinées occupent ainsi la presque totalité du volume interne de l'appareil.
~'autre part, la comparaison entre les figures 3 et 4 fait clairement comprendre que, pour un volume donné d'éléments supports de membranes tubulaires contigus de mêmes diamètres, la ~urface de membrane disponible est nettemen-t plus importante lorsque celle-ci est disposée à l'extérieur du support comme dans l'appareil selon l'invention, plutôt qu'à l'intérieur, comme dans les appareils à membranes tubulaires bobinées, selon l'art antérieur.
Par ailleurs l'appareil peut Aetre traversé par des débits ~levés de liquide circulant autour des membranes, ce liquide pouvant éventuellement contenir des solides en suspen-sion. ~a configuration particulière des memhranes crée des conditions hydrodynamiques permettant un fonctionnement efficace de l'appareil au niveau des membranes.
~es dimensions des canaux 9 à l'intérieur des ~léments supports de membrane peuvent être calculées pour permettre juste llécoulement normal du fluiae ayant traversé les membranes. ;
~ ~'état des membranes peut ~etre ais~ment vérifié
notamment sur les éléments périphériques et celles~-ci peuvent 8tre facilement nettoyées le cas échéant par exemple par ,' '., ' ' , _ g ~
'"` ' ' ~5~4 lavage "in situ". ~e montage et l'entretien de l'appareil peuvent etre facilement réalis~s~ notamment ~ l'aide de bobines amovibles pouvant être disposées autour d~un moyeu fixe.
~ es appareils selon l~in~ention permettent d~effectuer des opérations d~échange (dialyse, osmose directe, échanges liquide-gaz, échanges gaz-gaz), des opérations de séparation de fluides (ultrafiltration, osmose inverse, perméation gazeuse) et m~me des opérations de mélange. Ces opérations peuvent bien entendu constituer des opérations d~enrichissement. Ces appareils conviennent naturellement pour des applications dléchange (telles que lléchange thermique entre deux fluides, l~humidi~ication et/ou le conditionnement d~air) ou de mélange (par exemple la dissolution de certains gaz dans de~ liquides~.
Exemple:
On construit un appareil d'osmose inverse selon les figures 1 et 2 comportant une bobine de longueur 13,5 cm, de diamètre 16 cm, constituée a~un moyeu de diamètre 5 cm et de 9 cordonnets de longueur unitaire 20 matres~ représentant une surface utile de membrane de 1~ 4 m2. Chaque cordonnet est fermé à l'extrémité située c8té moyeu et débouche ~ l'autre extrémité dans un collecteur (12) auquel il est raccordé par un manchon en élastomère silicone.
.;, . , Chaque cordonnet est constitué par une gaine textile creuse, souple,tressée en ~ils de polyéthylène, de diamètre . . .
extérieur 2,5mm traitée thermiquement selon le brevet belge -~ No. 814 953. Il est recouvert d~le membrane formée "in situ"
par dép8t dlun collodion ~ base d'acétate de cellulose, en opérant selon les techniques décrites dans les brevets français No. 1 426 548 et 1 506 402.
On établit à l'intérieur de llapparei1, entre les - orifices 18 et 19 une circulation de 900 l/h d'eau brute :,~

Z8~
sous une pression de 30 bars. On recueille par l'orifice 17 l'eau pure qui a traversé les membranes par osmose inverse.
On obtient les résulta-ts suivants, le taux de rejet désignant en pourcentage le rappoxt entre la quantité de sel retenu par la membrane et la quan-tité de sel initiale.
Avec une eau brute dont la dureté correspond à un titre hydrotimétrique de 30 degrés français, à 20C sous 30 bars~
le taux de rejet est de 91 72qo e-t le débit d'eau pure est de 554 1/m2/jour, ce qui démontre que la technique décrite est -~
viable dans des conditions d'exploitation industrielle.
A titre de comparaison, on peut empiler dans un même carter cylindrique, soit 10 bobines identiques à celle utilisée ci-dessus, offran-t donc une surface totale de 14,3 m2~
soit un faisceau de 684 cordonne-ts iden-tiques, ~ais rectilignes, parallèles et de longueur uni-taire 135 cm, qui n'offrent ensemble qu'une surface de membrane égale à 7,3 m2. ~e gain de compacité apparaît donc clairement.
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Claims (9)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Appareil à membranes sur supports tubulaires pour le traitement de fluides, comportant à l'intérieur d'un carter au moins une bobine comprenant un moyeu et autour au moins un élément support de membrane tubulaire relié manière étanche audit carter des moyens pour l'introduction et/ou l'éva-cuation d'un fluide à l'intérieur dudit carter et à
l'extérieur dudit élément et des moyens pour relier l'intérieur dudit élément à l'extérieur dudit appareil, caractérisé en ce que chaque élément est constitué par un conduit poreux continu, muni d'au moins un canal longitudinal relié à l'extérieur de l'appareil, couvert extérieurement d'une membrane perméable aux fluides et régulièrement enroulé autour du moyeu de ladite bobine.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément support de membrane tubulaire a un canal axial, une section sensiblement circulaire et un diamètre exté-rieur compris entre 1 et 10 mm.

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément support de membrane tubulaire est constitué
par une gaine textile tissée, tressée ou tricotée formant un cordonnet.

4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit cordonnet est souple et a une texture homogène, serrée et stabilisée par chauffage à coeur.

5. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé
en ce qu'un matériau souple, élastique et étanche aux fluides, occupe au moins partiellement l'espace compris entre chaque bobine et l'enveloppe de l'appareil.

6. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté-risé en ce que les éléments supports de membrane tubulaire bobinés et contigus sont maintenus légèrement écartés les uns des autres par tous moyens connus.

7. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté-risé en ce que les éléments supports de membrane tubulaire sont enveloppés d'une gaine

8. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté-risé en ce que au moins une chicane est disposée entre les éléments supports de membrane tubulaire enroulés sur une même bobine.

9. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté-risé en ce que lesdites bobines sont superposables et amovibles.