FR2912931A1 - Dispositif pour separer des molecules et/ou particules dispersees dans un fluide - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un dispositif pour séparer des molécules et/ou des particules contenues dans un fluide, ledit dispositif comportant conduit (1) hélicoïdal multi-spires dans lequel un fluide contenant plusieurs sortes de molécules et/ou particules (3a, 3b) est introduit sous pression de manière à faire subir audit fluide une trajectoire forcée permettant d'atteindre des vitesses de rotation suffisantes, lesdites molécules et/ou particules étant séparées suivant leur masse sous l'effet de la force centrifuge, se caractérisant par le fait qu'à l'endroit du conduit hélicoïdal (1) où les molécules et/ou particules plus lourdes (3b) ont suffisamment migré vers la paroi de plus grand rayon pour atteindre une concentration souhaitée, ledit conduit hélicoïdal (1) se divise en deux canaux d'extraction, un premier canal (1b) configuré pour récupérer un flux contenant lesdites molécules et/ou particules plus lourdes (3b) et un second canal (1a) configuré pour récupérer un flux contenant les autres molécules et/ou particules plus légères (3a), la pression à l'entrée les deux dits canaux étant ajustée pour être égale.

Description

1 Description L'invention a pour objet un dispositif pour séparer des

molécules et/ou des particules dispersées dans un fluide.

Elle concerne le domaine technique de la séparation de molécules et/ou particules dispersées dans un fluide, par une mise en mouvement hélicoïdal dudit fluide. Elle concerne plus particulièrement les dispositifs destinés à la séparation de composés chimiques ou gazeux, à la préparation de produits enrichis en concentration par rapport à leur concentration initiale, à la séparation d'éléments contenus dans des mélanges liquides ou gazeux parmi lesquels on peut citer, sans que cela soit limitatif : -les systèmes de préparation de gaz pur à partir de l'air atmosphérique (gaz nobles, hydrogène, CO2 par exemple), - les systèmes de filtration de l'air ambiant (ateliers, salles blanches, locaux tertiaires, hôpitaux, établissements ouverts au public, alimentation en air comburant des moteurs thermiques, ...), - les systèmes de filtration des gaz (installations chimiques, gaz d'échappement des moteurs thermiques et des foyers, gaz d'alimentation des turbines, émissions des cheminées industrielles, ...), - les systèmes de récupération et tri suivant leurs tailles aérodynamiques des particules en suspension pour valorisation (cimenteries, sucreries, semouleries, moulins à grains, ...), - les filtres à eau pour installations hydrauliques (domestiques, piscines, pompes immergées, adduction d'eau potable, ...), - les filtres à liquide (installations chimiques, huile de graissage des moteurs thermiques et des turbines, industrie alimentaire, jus de fruits, vins, laitages, ...),

- les systèmes de récupération des particules en suspension dans un liquide (chimie préparatrice, biologie et microbiologie, industrie alimentaire, ...), - les systèmes de concentration de composants gazeux en un isotope de ce composant (uranium par exemple, ...), - les systèmes d'enrichissement à la concentration d'un composant liquide contenu dans un mélange (biologie, pharmacie, chimie, ...).

On connaît par le document EP-B1-1.311.335 du même inventeur, un dispositif de séparation partielle ou totale ou d'enrichissement de la concentration d'un ou plusieurs composants contenus dans un mélange de composants gazeux ou liquides, s'appliquant aux matériels destinés à permettre l'élimination ou la récupération de particules en suspension dans un gaz ou dans un liquide. Selon le dispositif décrit, un fluide contenant plusieurs sortes de molécules et/ou particules est introduit par l'effet d'une pression dans un conduit hélicoïdal multi-spires de façon à lui faire subir une trajectoire forcée permettant d'atteindre de très grandes vitesses de rotation pouvant atteindre plusieurs millions de tours par secondes.

Les molécules et/ou particules contenues dans le fluide subissent une force centrifuge proportionnelle à la ruasse de chaque molécule et/ou particule et au carré de la vitesse de rotation. Si les molécules et/ou particules ont des masses même très légèrement différentes entre elles, elles subiront des forces centrifuges différentes et se déplaceront l'une par rapport à l'autre avec une vitesse proportionnelle à leur différence de masse multipliée par le carré de la vitesse de rotation. Cette vitesse est cependant limitée par la force de freinage provoquée par les molécules et/ou particules du fluide de plus grande concentration sur les molécules et/oui particules du fluide qui se déplacent par rapport à lui. Cette force de freinage est décrite par l'équation de Fick-Einstein en cinétique des fluides pour les molécules et par la loi de Stokes Cunningham pour les particules et une vitesse limite est atteinte lorsque la force centrifuge appliquée à la molécule et/ou particule qui se déplace devient égale à la force 2912931 -3

de freinage faisant intervenir : pour les molécules, la constante de Boltzmann, la température absolue du fluide et le coefficient de diffusion de la molécule qui se déplace par rapport au fluide de plus haute concentration et pour les particules, le diamètre de la particule, le coefficient de Cunningham et la 5 viscosité cinématique du gaz vecteur. La résultante du mouvement Brownien, pour les molécules, étant toujours nulle, celui-ci n'intervient que dans la définition du coefficient de diffusion, mais pas sur la trajectoire générale de la molécule et/ou particule qui se déplace.

10 II y a donc une séparation des molécules et/ou particules suivant leur masse, les plus lourdes se transportant vers la paroi de plus grand rayon en en chassant les molécules et/ou particules les plus légères qui s'y trouvaient à l'instant zéro, ces dernières se regroupant dans l'autre partie du conduit hélicoïdal. Une fois que cette séparation est faite dans le conduit, il faut pouvoir 15 recueillir les différentes fractions du fluide pour que le dispositif ait une réelle utilité. Dans le document EP-B1-1.311.335, cette extraction est réalisée au moyen d'orifices de sortie placés sur la paroi de plus grand diamètre du conduit hélicoïdal et reliés chacun à un dispositif de collecte. On soutire au travers de 20 chaque orifice, à débit fixe, la fraction de fluide se trouvant à la paroi de plus grand rayon à cet instant. Le débit de soutirage est contrôlé au moyen d'un régulateur de débit de manière à n'autoriser le passage que d'un débit égal au débit préalablement calculé à cet endroit des molécules et/ou particules d'un des composants choisi du mélange, à une concentration elle aussi choisie. 25 En pratique, il apparaît que cette méthode n'est applicable que dans le cas où les dimensions du conduit hélicoïdal sont suffisamment importantes pour que le débit de sous tirage soit compatible avec ce que la technologie sait faire dans ce domaine. Cela ne peut concerner que des dispositifs dans lesquels on cherche, lorsqu'on travaille en séparation moléculaire, un enrichissement de 30 quelques pour cent, mais en aucun cas des dispositifs dont l'objectif est un enrichissement important, car, pour ces derniers les dimensions de chaque 2912931 -4

conduit hélicoïdal doivent être très petites et donc le débit de chaque conduit très faible et les systèmes de sous tirage à débit constant existant ne peuvent assurer la précision nécessaire.

5 On connaît également par le document US 2.360.066 (LOUMIET ET LAVIGNE), un dispositif similaire où l'extraction est réalisée par plusieurs tubes disposés tangentiellement à la paroi de rayon maximum du conduit hélicoïdal. L'extraction est provoquée par une rnise en dépression des tubes d'extraction par rapport au conduit hélicoïdal principal. Cette mise en dépression implique 10 nécessairement qu'une partie du fluide vecteur est entraînée dans les tubes d'extraction ce qui a pour effet de limiter la qualité de la séparation moléculaire ou la perte de gaz vecteur en séparation particulaire. Ce phénomène se retrouve d'ailleurs dans le dispositif décrit dans le document EP-B1-1.311.335.

15 Au vu de l'état de la technique, le problème technique principal que vise à résoudre l'invention est d'augmenter les performances du dispositif de séparation du type décrit dans EP-B1-1.311.335, en particulier l'amélioration de la qualité de séparation moléculaire et/ou particulaire et l'extension de son application à de très faibles concentrations des composants liquides ou gazeux 20 à séparer par rapport au fluide de plus haute concentration. Un autre objectif de l'invention est de pouvoir extraire les différentes fractions du fluide, de manière simple et sans utilisation d'appareils annexes de contrôle de débit. L'invention a encore pour objectif de proposer un dispositif de séparation 25 de conception simple, facile à manipuler et peu onéreux.

La solution proposée par l'invention est un dispositif pour séparer des molécules et/ou des particules contenues dans un fluide, ledit dispositif comportant un conduit hélicoïdal multi-spires dans lequel un fluide contenant 30 plusieurs sortes de molécules et/ou particules est introduit sous pression de manière à faire subir audit fluide une trajectoire forcée permettant d'atteindre

des vitesses de rotation suffisantes, lesdites molécules et/ou particules étant séparées suivant leur masse sous l'effet de la force centrifuge. Ce dispositif est remarquable en ce qu'à l'endroit du conduit hélicoïdal où les molécules et/ou particules plus lourdes ont suffisamment migré vers la paroi de plus grand rayon pour atteindre une concentration souhaitée, ledit conduit hélicoïdal se divise en deux canaux d'extraction, un premier canal configuré pour récupérer un flux contenant lesdites molécules et/ou particules plus lourdes et un second canal configuré pour récupérer un flux contenant les autres molécules et/ou particules plus légères, la pression à l'entrée des deux dits canaux étant ajustée pour être égale. Cette technique d'extraction s'avère bien plus efficace que la technique connue de l'art antérieur consistant à aspirer une partie du flux au niveau de la paroi de plus grand rayon. En effet, au niveau de la division du conduit hélicoïdal, aucun effet parasite ne vient perturber la répartition des molécules et/ou particules, ce qui permet de récupérer efficacement ces dernières même à des concentrations très faibles.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence aux dessins annexés, réalisés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 une vue schématique en coupe longitudinale du dispositif objet de l'invention selon un premier mode de réalisation, montrant au niveau de chaque spire la migration des molécules et/ou particules, - la figure 2 est une vue en coupe selon A-A du dispositif de la figure 1, la figure 3 une vue schématique en coupe longitudinale d'un conduit hélicoïdal selon un second mode de réalisation, montrant au niveau de chaque spire la migration des molécules et/ou particules, le système de séparation des molécules et/ou particules n'étant pas représenté,

- la figure 4 représente schématiquement le conduit hélicoïdal de la figure 3 à l'état déroulé, ledit conduit étant agencé avec le système de séparation des molécules et/ou particules, - les figures 5a, 5b et 5c schématisent différents profils de conduit hélicoïdal avec des molécules et/ou particules au niveau de la paroi de rayon minimum, - les figures 6a, 6b et 6c schématisent les différents profils de conduit hélicoïdal des figures 5a, 5b et 5c avec des molécules et/ou particules au niveau de la paroi de rayon maximum, - les figures 7a, 7b et 7c schématisent différents profils de surface de puisage selon les différents profils de conduit hélicoïdal schématisés sur figures 5a, 5b et 5c, - les figures 8a, 8b, 8c et 8c schématisent différents profils de surface de puisage pour un profil carré ou rectangulaire du conduit hélicoïdal, - la figure 9 schématise un profil de surface de puisage pour un profil circulaire du conduit hélicoïdal.

De la même manière que décrit dans le document E-BI-1.311.335, le dispositif objet de l'invention est formé d'un conduit hélicoïdal comportant plusieurs spires. Un fluide, liquide ou gazeux, contenant plusieurs sortes de molécules et/ou particules est introduit sous pression dans le conduit hélicoïdal par l'intermédiaire d'un injecteur du type pompe ou tout autre moyen équivalent convenant à l'homme du métier.

En se rapportant au premier mode de réalisation représenté la figure 1, le conduit hélicoïdal 1 multi-spires est préférentiellement formé par un mandrin 10 fileté au pas, agencé dans un tube 11. Dans une variante de réalisation représentée sur la figure 3, le conduit hélicoïdal 1 peut être formé par un tube capillaire 12, de profil général circulaire, carré, rectangulaire, triangulaire ou autre, et enroulé au pas autour d'un mandrin 13.

En se rapportant à la figure 1, le fluide contenant plusieurs sortes de molécules et/ou particules 3a, 3b, est introduit sous pression (schématisé par la flèche) dans le conduit hélicoïdal 1. En suivant les spires du conduit hélicoïdal 1, le fluide est mis en rotation et les molécules et/ou particules 3a, 3b subissent une force centrifuge proportionnelle à leur masse et au carré de leur vitesse de rotation. Comme représenté sur la figure 1, au bout d'un certain nombre de spires, il y a une séparation des molécules et/ou particules suivant leur masse. Les molécules et/ou particules plus lourdes 3b se transportent vers la paroi de rayon maximum et les molécules et/ou particules plus légères 3a se regroupant dans l'autre partie du conduit hélicoïdal. Au fur et à mesure de la circulation du fluide dans le conduit hélicoïdal 1, la répartition des particules va donc se stratifier selon le rayon dudit conduit.

Le fluide est introduit dans le conduit hélicoïdal 1 à la pression nécessaire pour obtenir la vitesse de rotation désirée. La pression à appliquer au fluide pour le faire circuler à grande vitesse est proportionnelle aux pertes de charge du conduit hélicoïdal 1 et donc au nombre de spires composant ce dernier. II y a donc tout intérêt à ce que le nombre de spires nécessaires à la séparation voulue soit le plus faible possible.

Ce nombre de spires est défini, si on veut une séparation complète entre les deux phases, par le temps nécessaire aux molécules et/ou particules à séparer (pour les éliminer ou les récupérer) les plus défavorablement placées dans le conduit hélicoïdal lors de leur introduction (c'est-à-dire celles introduites au niveau de la paroi de rayon minimum) pour parcourir la distance qui les sépare de la paroi de rayon maximum. Ce temps est égal à la distance entre les deux parois opposées du conduit hélicoïdal 1, dans le sens du rayon de l'hélicoïde, divisée par la vitesse radiale relative de la molécule et/ou particule par rapport aux molécules et/ou particules du fluide de plus haute concentration. Plus ce temps est long, plus la molécule et/ou particule à séparer devra parcourir de spires pour atteindre la paroi de rayon maximum et donc les pertes de charges augmenteront. On peut noter qu'il est possible de limiter la

séparation à une concentration inférieure à 100% en limitant, en conséquence le nombre de spires et de reprendre cette concentration par un deuxième troisième ou néme étage de séparation. Il y a donc lieu d'optimiser les dimensions et la géométrie du conduit hélicoïdal 1 pour que ce temps soit minimum et, qu'à temps égal, le nombre de molécules et/ou particules passant de la paroi de rayon minimum à la paroi de rayon maximum, soit maximum.

Ces exigences d'amélioration conduisent aux conclusions suivantes pour 10 dimensionner le conduit hélicoïdal 1 : La force centrifuge, donc la vitesse radiale relative de la molécule et/ou particule à séparer, étant inversement proportionnelle au rayon de rotation de la molécule et/ou particule, ce rayon, donc le rayon intérieur de l'hélicoïde, doit être le plus petit possible. 15 -> Le nombre de spires nécessaires à la séparation étant proportionnel à la distance entre les deux parois opposées du conduit hélicoïdal 1, suivant le rayon de l'hélicoïde, cette distance, donc le rayon extérieur de l'hélicoïde, doit être la plus petite possible.

20 La fixation de ces dimensions est cependant limitée par les exigences technologiques et les capacités désirées en matière de débit du dispositif. Elles sont donc définies au cas par cas, par un compromis entre les performances désirées en matière de débit du dispositif et les contraintes technologiques (pression maximum disponible, dimensions globales de l'installation composée 25 de plusieurs dispositifs de séparation unitaire montés en parallèle et/ou en série, ...).

Après avoir défini la distance optimale entre les parois du conduit hélicoïdal 1, suivant le rayon de l'hélicoïde, il faut définir la meilleure géométrie, 30 c'est-à-dire le meilleur profil général dudit conduit. Plusieurs profils sont envisageables et notamment les profils :

- circulaires (figures 5c et 6c). Par exemple : tube capillaire à profil circulaire enroulé autour d'un mandrin central ; - triangulaires (figures 5b et 6b). Par exemple : mandrin fileté avec filetage triangulaire, tube capillaire à profil triangulaire enroulé autour d'un mandrin central ; -rectangulaires ou carrés (figures 1, 5a et 6a). Par exemple : mandrin fileté 10 avec filetage rectangulaire ou carré, tube capillaire à profil rectangulaire ou carré enroulé autour d'un mandrin central.

En se rapportant aux figures 5a, 5b, 5c, 6a, 6b et 6c, il semble que les profils carrés ou rectangulaires sont plus performants que les autres. En effet, pour un même temps de transfert entre les deux parois du conduit hélicoïdal 1, le nombre de molécules et/ou particules à séparer 3b transférées d'une paroi 10a à l'autre 10b, est plus important pour un profil carré ou rectangulaire que pour un profil triangulaire ou circulaire!. Comme cela apparaît sur les figures 5a, 5b et 5c, dans lesquels le diamètre du conduit circulaire est égal à la hauteur du triangle du conduit triangulaire et au côté du conduit rectangulaire, et où les vitesses radiales des molécules et/ou particules à séparer 3b sont égales, le nombre de molécules et/ou particules disposées sur le point le plus éloigné de la paroi de rayon maximum 10b est égal à 1 en ce qui concerne les profils circulaires et triangulaires et n 1 en ce qui concerne le profil carré ou rectangulaire. Cela signifie que pour un même temps, donc pour un nombre de spires égal, dans un profil circulaire ou triangulaire le nombre de molécules et/ou particules à séparer 3b transférées de la paroi de rayon minimum 10a à la paroi de rayon maximum 10b est n fois plus petit que dans le cas d'un profil carré ou rectangulaire. Cet avantage ne se limite pas aux molécules et/ou particules introduites au niveau de la paroi de rayon minimum 10a mais à l'ensemble des molécules et/ou particules, car le transfert de concentration vers la paroi de rayon maximum 10b est représentée par le flux de molécules et/ou particules animées - 10-

de leur vitesse limite au niveau de ladite paroi de rayon maximum. Ce flux est égal à la vitesse des molécules et/ou particules par la surface de passage au point 'P' suivant la hauteur 'h' du conduit hélicoïdal 1. La surface de passage au point 'P' est égale à la largueur 'l' du conduit hélicoïdal 1 multipliée par la longueur dudit conduit (nombre de spires multiplié par longueur d'une spire). On constate que la surface de passage au point 'P' est constante pour un profil carré ou rectangulaire. Pour un profil circulaire, la surface de passage au point 'P' varie de zéro au diamètre du conduit hélicoïdal 1 multipliée par la longueur dudit conduit. Et pour un profil triangulaire, la surface de passage au point P varie de zéro à la base du triangle multipliée par la longueur du conduit hélicoïdal 1. Cet avantage du profil carré ou rectangulaire apparaît sur les figures 6a, 6b et 6c pour des conduits de hauteur identique avec une concentration initiale identique. Les surfaces étant différentes en fonction de la géométrie, le nombre de molécules et/ou particules à séparer 3b amenées au niveau de la paroi de rayon maximum 10b après un parcours de longueur égale varient d'un coefficient 1 pour le profil carré ou rectangulaire, à 0.785 pour le profil circulaire et à 0.5 pour le profil triangulaire.

La force centrifuge différentielle s'exerçant sur les molécules et/ou particules à séparer 3b est proportionnelle au carré de la vitesse du fluide dans le conduit hélicoïdal 1. Plus cette vitesse est grande, plus la séparation se fait rapidement et donc le nombre de spires nécessaires à la séparation est petit. La limitation du nombre de spires est non seulement intéressante pour la réduction des dimensions du dispositif mais également pour la réduction de la pression nécessaire au maintien de la vitesse voulue du fluide. Cette pression est définie par la perte de charge globale du conduit hélicoïdal 1 et est égale, aux effets d'entrée et de sortie près, à la perte de charge d'une spire multipliée par le nombre de spires. Cette perte de charge globale est donc proportionnelle au nombre de spires nécessaires (inversement proportionnel au carré de la 2912931 -11-

vitesse du fluide) et à la perte de charge d'une spire (directement proportionnelle au carré de la vitesse du fluide). Ces deux facteurs ayant des effets antinomiques, le régime du fluide doit être pris en compte. La perte de charge du conduit hélicoïdal 1 dépend de la 5 vitesse d'écoulement du fluide, des dimensions dudit conduit et du régime d'écoulement qui dépend lui-même de la vitesse dudit fluide et des dimensions dudit circuit. Ce régime d'écoulement peut être laminaire pour un nombre de Reynolds inférieur 2.000, transitoire pour un nombre de Reynolds compris entre 2.000 et 4.000 ou turbulent pour un nombre de Reynolds supérieur à 4.000. 10 Généralement, un écoulement transitoire ou turbulent induit des pertes de charge supérieures à celles induites par un écoulement laminaire. L'augmentation de la vitesse du fluide permet donc de réduire les dimensions du conduit hélicoïdal 1 mais ne réduit pas automatiquement la pression, donc l'énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif. Le choix de la vitesse du 15 fluide pour un conduit hélicoïdal de dimensions données doit tenir compte de la nature de l'écoulement pour les raisons générales invoquées ci-dessus, mais aussi pour des raisons propres au procédé.

En se rapportant aux figures 1 à 4, la technique de séparation qui 20 intervient dans le conduit hélicoïdal 1 a pour fondement le déplacement des molécules et/ou particules plus lourdes 3b par rapport à d'autres molécules et/ou particules plus légères 3a, sous l'effet d'une force centrifuge différentielle. Étant donné que les différences de masses des molécules et/ou particules à séparer peuvent être très faibles, la force centrifuge différentielle est très faible 25 et il ne faut pas risquer d'introduire dans le conduit hélicoïdal des forces parasites qui pourraient être plus importantes que cette force centrifuge. Cela peut être le cas pour un écoulement turbulent dans lequel des forces tourbillonnaires aléatoires apparaissent à certains endroits du conduit hélicoïdal 1. Sous peine de limiter la qualité de la séparation, l'effet de ces forces 30 tourbillonnaires aléatoires ne doit en aucun cas annuler l'effet de la force centrifuge avant l'extraction des molécules et/ou particules et renvoyer dans le 2912931 -12-

circuit une molécule et/ou particule ayant atteint le dispositif d'extraction. Il apparaît donc qu'il faut calculer la vitesse du fluide dans le conduit hélicoïdal 1 pour que le nombre de Reynolds dudit conduit demeure préférentiellement inférieur ou proche de 2.000 et conserver un écoulement laminaire dans ledit 5 conduit. Cela n'exclut pas, pour certains cas particulier d'adopter des vitesses supérieures en acceptant un régime d'écoulement transitoire ou turbulent, c'est-à-dire un nombre de Reynolds supérieur à 2.000.

Selon une caractéristique préférée de l'invention représentée sur les 10 figures 1, 2, 3 et 4, à l'endroit du conduit hélicoïdal 1 où les molécules et/ou particules plus lourdes 3b ont suffisamment migré vers la paroi de plus grand rayon pour atteindre une concentration souhaitée, ledit conduit hélicoïdal 1 se divise en deux canaux d'extraction : - un premier canal 1 b configuré pour récupérer un flux contenant les 15 molécules et/ou particules plus lourdes 3b ; - et un second canal la configuré pour récupérer un flux contenant les autres molécules et/ou particules plus légères 3a. Les deux canaux la, 1 b sont reliés à des chambres de réception, respectivement 5a, 5b. Comme décrit plus loin, pour optimiser la séparation et 20 ne pas générer d'effets parasites aptes à perturber la répartition des molécules et/ou particules au niveau de la séparation du conduit hélicoïdal, la pression à l'entrée des deux canaux d'extraction 1 a , lb est ajustée pour être égale. La division du conduit hélicoïdal 1 permet de récupérer simplement, et sans utilisation de dispositif annexe de contrôle de débit, à la concentration 25 désirée, les différentes fractions du fluide.

Les molécules et/ou particules plus lourdes 3b peuvent être celles à éliminer (par exemple : CO2 contenu dans l'air atmosphérique ou particules polluantes en suspension dans l'air, ... ) ou bien celles à récupérer (par 30 exemple : Radon ou Xénon contenu dans l'air atmosphérique, particules en suspension dans l'air pour valorisation,

.). On peut de même vouloir récupérer 2912931 -13-..DTD: les molécules les plus légères, par exemple : Hydrogène dans l'air ou Hydrogène dans CO2.

Le profil du canal lb permettant d'extraire le flux contenant les molécules 5 et/ou particules les plus lourdes 3b doit être configuré pour optimiser la séparation. La technique d'extraction utilisée dans l'invention fait appel à la notion de surface (ou canal) de puisage qui devient un paramètre important du dimensionnement du circuit. Pour définir ce nouveau paramètre, il est avantageux d'introduire un autre paramètre qui est la concentration initiale 'C ' 10 de la fraction de molécules et/ou particules les plus lourdes à séparer avant l'introduction du fluide dans le conduit hélicoïdal et la concentration finale 'C' de ces molécules et/ou particules désirée dans la surface de puisage.

On peut prévoir de diviser le conduit hélicoïdal en utilisant des tubes 15 d'extraction tangentiels du type décrit sur les figures 4, 5 et 6 du document US 2.360.066 (LOUMIET ET LAVIGNE). Toutefois, selon une caractéristique préférée de l'invention permettant d'optimiser le regroupement des molécules et/ou particules plus lourdes et de rendre plus aisée leur extraction, le conduit hélicoïdal comporte 20 avantageusement une surface de puisage au niveau de sa paroi de rayon maximum. En se référant aux figures annexées, la notion de surface de puisage se définit comme suit : au lieu d'amener les molécules et/ou particules plus lourdes 3b jusqu'à la paroi rayon maximum d'un conduit hélicoïdal 1 symétrique (cf. EP-B1-1.311.335), on crée, tout au long des spires, au niveau de ladite 25 paroi de rayon maximum, une surface de puisage 110 dans laquelle se concentreront les molécules et/ou particules plus lourdes 3b, transportées sous l'effet de la force centrifuge, en en chassant les autres molécules et/ou particules plus légères 3a du fluide qui s'y trouvaient à l'instant zéro.

30 Le dimensionnement de cette surface de puisage 110 conditionne la qualité de la séparation et la concentration finale qu'on y obtiendra : -14 -

si le débit du fluide dans cette surface de puisage 110 (surface x vitesse du fluide) est supérieur au débit total possible des molécules et/ou particules plus lourdes 3b à extraire (débit total du fluide dans le conduit hélicoïdal multiplié par la concentration initiale en molécules et/ou particules à extraire), la concentration finale n'atteindra jamais 100% car les autres molécules et/ou particules plus légères 3a du fluide vecteur viendront compléter lesdites molécules et/ou particules plus lourdes 3b de la fraction de fluide à extraire qui ne sont pas assez nombreuses dans le conduit hélicoïdal 1 pour remplir la surface de puisage 110. -+ Si le débit du fluide dans cette surface de puisage 110 est inférieur au débit total possible des molécules et/ou particules plus lourdes 3b à extraire, la concentration dans ladite surface de puisage sera égale à 100%, mais une partie desdites molécules et/ou particulesplus lourdes 3b à extraire présentes dans le conduit hélicoïdal 1 n'auront pas pu entrer dans ladite surface de puisage et seront rejetées avec les autres molécules et/ou particules plus légères 3a du fluide vecteur. -~ Si le débit du fluide dans cette surface de puisage 110 est égal au débit total possible des molécules et/ou particules plus lourdes 3b à extraire, ladite surface de puisage sera remplie uniquement des molécules et/ou particules plus lourdes 3b à extraire, la concentration y sera de 100%, aucune autre molécule et/ou particule plus légère 3a du fluide vecteur ne se trouvera dans cette surface et aucune molécule et/ou particule plus lourde 3b à extraire ne se trouvera en dehors de cette surface. Cette technique d'extraction permet donc de choisir la concentration 25 finale des molécules et/ou particules à extraire entre zéro et 100% en choisissant les dimensions de la surface de puisage.

Si nous reprenons les différents profils généraux du conduit hélicoïdal 1 représentés sur les figures 5a, 5b, 5c, 6a, 6b et 6d, les géométries optimales 30 des surfaces de puisage 110 de chaque configuration apparaissent sur les figures 7a, 7b et 7c. Plus la hauteur de cette surface de puisage 110 est 2912931 -15-

grande, plus la séparation des flux est technologiquement aisée et meilleure est la précision de séparation. Si nous éliminons le conduit hélicoïdal à profil général triangulaire qui ne semble présenter qu'un intérêt limité, il apparaît que les épaisseurs des 5 surfaces de puisage 110 d'un conduit hélicoïdal 1 à profil général carré ou rectangulaire et à profil général circulaire, sont sensiblement identiques. Le profil de la surface de puisage 110 doit être défini de telle sorte que les molécules et/ou particules plus lourdes 3b à extraire puissent s'y rassembler aisément à la concentration souhaitée, ce qui est automatiquement le cas pour 10 un profil circulaire. En ce qui concerne un conduit hélicoïdal à profil général carré ou rectangulaire, il faut que les molécules et/ou particules les plus lourdes 3b puissent y être transportées sous l'effet de la force centrifuge. On utilise préférentiellement une surface de puisage 110 ayant une des géométries 15 indiquées sur les figures 8a, 8b et 8c : profil carré ou rectangulaire, profil demi-circulaire, profil triangulaire. Ce dernier profil est également celui représenté sur la figure 1. La géométrie optimale semble être celle représentée sur la figure 8d, c'est-à-dire une surface de puisage 110 dont le profil a la forme d'un `V' inversé, 20 comportant une large base et une extrémité allongée rapidement étroite. Toutefois, toute autre géométrie ne gênant pas le transport des molécules et/ou particules vers la surface de puisage 110 peut être employée par l'homme du métier.

En ce qui concerne un conduit hélicoïdal 1 à profil général circulaire, on peut prévoir une surface de puisage 110 en forme de lune du type représentée sur la figure 9.

Pour augmenter la hauteur de la surface de puisage 110 lorsque le 30 conduit est de forme général circulaire, on peut employer un conduit ayant un - 16 -

profil en forme de goutte comme représenté sur les figures du document US 2.360.066 (LOUMIET ET LAVIGNE).

Il est également possible d'imaginer un moyen pour augmenter la hauteur de la surface de puisage pour un conduit hélicoïdal à profil général carré ou rectangulaire. En se rapportant à la figure 1, lorsque le conduit hélicoïdal 1 est formé par la combinaison du mandrin fileté 10 et du tube 11, ce dernier comporte avantageusement un taraudage au même pas que celui du filetage dudit mandrin. La géométrie du taraudage du tube 11 définit le profil de la surface de puisage 110. En se référant à la figure 3, il est encore possible d'employer un tube capillaire 12 enroulé autour d'un mandrin 13, ledit tube capillaire ayant le profil général souhaité pour le conduit hélicoïdal et intégrant le profil de la surface de puisage 110. En se rapportant à l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, le conduit hélicoïdal 1 a un profil général carré ou rectangulaire auquel est superposé un profil triangulaire formant la surface de puisage 110. Toutefois, cet exemple de réalisation n'est pas limitatif, le tube capillaire 12 pouvant avoir tout autre profil souhaité et notamment ceux représentés sur les figures 8a à 8d et sur la figure 9.

La présence de cette surface de puisage 110 rend l'extraction du flux contenant les molécules et/ou particules plus lourdes 3b à séparer très simple, via le premier canal de récupération 1 b. Afin d'optimiser la récupération du flux contenant les molécules et/ou particules plus lourdes 3b, le premier canal 1 b possède le même profil que celui de la surface de puisage 110. Le flux contenant les autres molécules et/ou particules plus légères 3a n'ayant pu atteindre la surface de puisage 110 est évacué via le second canal la. Ces molécules et/ou particules 3a, 3b, sont ensuite récupérées dans des chambres de réception, respectivement 5a, 5b. 2912931 -17-

La division du conduit hélicoïdal dépend de la conception de ce dernier. Elle peut être réalisée en disposant au niveau de la paroi de plus grand rayon, un tube tangentiel du type décrit sur les figures 4, 5 et 6 du document US 2.360.066 (LOUMIET ET LAVIGNE). 5 Toutefois, en se rapportant aux figures 2 et 4 annexées, on préfère introduire au niveau de la sortie du conduit hélicoïdal 1, un insert 4 configuré de manière à séparer, sans turbulence, le flux en deux parties et envoyer chacune de ces parties dans les canaux d'extraction la, 1 b. En pratique, la géométrie de l'insert 4 est adaptée à la géométrie du conduit hélicoïdal 1 et à la géométrie de 10 la surface de puisage 110 de manière à séparer, sans turbulence, le flux en deux parties.

Lorsque le conduit hélicoïdal 1 est formé par la combinaison du mandrin fileté 10 et du tube 11 (figures 1 et 2), l'insert 4 est disposé sensiblement à la 15 sortie dudit conduit hélicoïdal, contre la paroi de rayon minimum. Sa hauteur est limitée à la hauteur du filetage du mandrin 10 de manière à ce qu'il ne vienne pas obstruer la surface de puisage 110. La hauteur de l'insert 4 sera égale à la hauteur du filetage du mandrin 10 si on désire une concentration à 100% ou inférieure à cette hauteur si on désire une concentration finale inférieure à 20 100% Le premier canal 1 b relie tangentiellement la surface de puisage 110 au niveau de l'insert 4. Ce dernier est configuré de manière à ne pas perturber le flux contenant les molécules et/ou particules plus lourdes 3b évacuées par le premier canal lb vers la chambre de réception 5b (figure 2). 25 Le mandrin fileté 10 comporte un alésage formant le second canal de récupération la. Ce dernier communique avec le conduit hélicoïdal 1 via un orifice 100 disposé au niveau de la paroi de rayon minimum et devant l'insert 4. Le second canal de récupération la est relié à la chambre de réception 5a. L'insert 4 est configuré de manière à dévier vers l'orifice 100 et le second canal 30 de récupération la, sans provoquer de turbulence, le flux contenant les 2912931 -18-

molécules et/ou particules plus légères 3a, non présentes dans la surface de puisage 110.

En se rapportant aux figures 3 et 4, l'utilisation de l'insert 4 convient 5 également au cas où le conduit hélicoïdal 1 est formé par un tube capillaire 12 enroulé autour d'un mandrin 13. Comme décrit précédemment, l'insert 4 est disposé sensiblement à la sortie du conduit hélicoïdal 1, contre la paroi de rayon minimum. Sa hauteur est déterminée de manière à ne laisser libre que la surface de puisage 110 si on désire une concentration de 100% ou une surface 10 plus importante si on accepte une concentration inférieure à 100%. Le positionnement de l'insert 4 dans le conduit hélicoïdal 1 forme, en aval de ce dernier, le premier canal 1 b. Ce dernier est ainsi disposé tangentiellement à la surface de puisage 110. L'insert 4 est configuré de manière à ne pas perturber le flux contenant les molécules et/ou particules plus 15 lourdes 3b évacuées par le premier canal 1 b vers la chambre de réception 5b. Le conduit hélicoïdal 1 communique avec le second canal la via un orifice 101 disposé au niveau de la paroi de rayon minimum et devant l'insert 4. Le second canal de récupération la est relié à la chambre de réception 5a. L'insert 4 est configuré de manière à dévier, sans provoquer de turbulence, le 20 flux contenant les molécules et/ou particules plus légères 3a vers l'orifice 101 et le second canal de récupération la.

Selon une caractéristique préférée de l'invention permettant d'avoir une séparation optimale, il faut éviter de perturber l'écoulement au moment de la 25 division du flux. Il est donc important, au moment de la séparation, que les deux fractions de fluides séparées (celle contenue dans la surface d'extraction et celle contenue dans l'autre partie du conduit hélicoïdal) voient devant elles des conditions d'écoulement équivalentes. Si les pressions ne sont pas équilibrées, la séparation ne peut être optimale. En effet, dans le cas où 30 premier canal 1 b est en dépression par rapport au second canal la, une partie des molécules et/ou particules plus légères 3a qui n'étaient pas présentes dans 2912931 -19-

la surface de puisage 110, pourrait être entraînée dans ledit premier canal 1 b. La qualité de la séparation serait dans ce cas altérée. De même, dans le cas où premier canal 1 b est en surpression par rapport au second canal la, une partie des molécules et/ou particules plus lourdes 3b qui étaient présentes dans la 5 surface de puisage 110, pourrait être entraînée dans ledit second canal la. Pour résoudre ce problème, la pression dans les deux canaux la et lb est ajustée pour être égale. En pratique, on utilise pour chaque chambre de réception 5a, 5b, un contrôleur de pression et un contrôleur de débit ou déverseur ou tout autre dispositif d'égalisation des pressions 50a, 50b. Dès que 10 les pressions ne sont plus égales, une partie du fluide contenu dans la chambre de réception ayant la plus haute pression est évacuée de manière à rétablir l'équilibre des pressions.

Selon le débit de fluide à traiter, on peut prévoir une installation 15 comportant plusieurs dispositifs de séparation agencés en parallèle.

On peut également prévoir un système pour épurer ou purifier un fluide formé par différents dispositifs de séparation agencés en série de manière à former différents étages d'épuration ou de purification. En effet, on peut séparer 20 en plusieurs fois le fluide pour extraire d'autres molécules et/ou particules qui ne l'auraient pas été dans un premier étage à cause de leurs masses trop proches ou à cause de leur faible concentration. Dans ce cas, on sépare ces molécules et/ou particules dans un second étage en réinjectant le flux extrait du premier étage (à plus forte concentration) dans un autre dispositif de séparation 25 similaire. On peut réaliser cette opération autant de fois que nécessaire jusqu'à obtenir le degré d'épuration ou de pureté souhaité. En pratique, on relie les canaux d'extraction la et/ou 1 b ou les chambres de réception 5a et/ou 5b à d'autres conduits hélicoïdaux similaires.

Claims (14)

Revendications

1. Dispositif pour séparer des molécules et/ou des particules contenues dans un fluide, ledit dispositif comportant conduit (1) hélicoïdal multi-spires dans lequel un fluide contenant plusieurs sortes de molécules et/ou particules (3a, 3b) est introduit sous pression de manière à faire subir audit fluide une trajectoire forcée permettant d'atteindre des vitesses de rotation suffisantes, lesdites molécules et/ou particules étant séparées suivant leur masse sous l'effet de la force centrifuge, se caractérisant par le fait qu'à l'endroit du conduit hélicoïdal (1) où les molécules et/ou particules plus lourdes (3b) ont suffisamment migré vers la paroi de plus grand rayon pour atteindre une concentration souhaitée, ledit conduit hélicoïdal (1) se divise en deux canaux d'extraction, un premier canal (1 b) configuré pour récupérer un flux contenant lesdites molécules et/ou particules plus lourdes (3b) et un second canal (la) configuré pour récupérer un flux contenant les autres molécules et/ou particules plus légères (3a), la pression à l'entrée les deux dits canaux étant ajustée pour être égale.

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel un insert (4) est introduit au niveau de la sortie du conduit hélicoïdal (1), ledit insert étant configuré de manière à séparer, sans turbulence, le flux en deux parties et envoyer chacune de ces parties dans les canaux d'extraction (la, lb).

3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le conduit hélicoïdal (1) comporte une surface de puisage (110) au niveau de sa paroi de rayon maximum, ladite surface de puisage 2912931 - 21 - étant configurée de manière à ce que les molécules et/ou particules plus lourdes (3b) s'y concentrent sous l'effet de la force centrifuge.

4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel la surface de 5 puisage (110) a un profil carré, rectangulaire, demi-circulaire ou triangulaire.

5. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la surface de puisage (110) a un profil ayant la forme d'un 'V' inversé, comportant une 10 large base et une extrémité allongée rapidement étroite.

6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel le premier canal (1 b) possède le même profil que celui de la surface de puisage (110). 15

7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5 prise en combinaison avec la revendication 2, dans lequel l'insert (4) est configuré de manière à ne pas perturber le flux contenant les molécules et/ou particules plus lourdes (3b) contenues dans la surface de puisage 20 (110) et évacué par le premier canal (lb) et de manière à ne pas perturber le flux contenant les autres molécules et/ou particules plus légères (3a) contenues dans l'autre partie du conduit hélicoïdal (1) et évacué par le second canal (la). 25

8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le conduit hélicoïdal (1) est formé par un tube capillaire (12) enroulé au pas autour d'un mandrin (13).

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le 30 conduit hélicoïdal (1) est formé par la combinaison d'un mandrin (10) fileté au pas et d'un tube (11) entourant ledit mandrin.- 22 -

10. Dispositif selon la revendication 9 prise en combinaison avec l'une des revendications 3 à 7, dans lequel le tube (11) comporte un taraudage au même pas que celui du filetage du mandrin (10), la géométrie dudit taraudage formant le profil de la surface de puisage (110).

11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le conduit hélicoïdal (1) a un profil général circulaire ou triangulaire.

12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le conduit hélicoïdal (1) a un profil général rectangulaire ou carré.

13. Système pour épurer ou purifier un fluide, se caractérisant par le fait qu'il est formé par différents dispositifs de séparation conformes aux revendications précédentes, lesdits dispositifs étant agencés en série de manière à former différents étages d'épuration ou de purification.

14. Installation pour séparer des molécules et/ou des particules contenues dans un fluide, se caractérisant par le fait qu'elle comporte plusieurs dispositifs de séparation conformes aux revendications précédentes agencés en parallèle. 20