FR3166554A1 - Dispositif membranaire - Google Patents

Abstract

Dispositif membranaire comprenant une première tige (2) et une bande réalisée dans une matière semi-perméable à une phase liquide d’un fluide et perméable à une phase vapeur du fluide, dans lequel la bande s’étend en largeur entre un premier bord et un second bord, dans lequel la bande est repliée sur elle-même le long d’un pli (3) séparant la bande en un premier rabat (1) et un second rabat (4), dans lequel la première tige (2) est disposée entre le premier rabat (1) et le second rabat (4), dans lequel le premier rabat (1) est fixé à plat sur la première tige (2) et dans lequel le second rabat (4) est fixé à plat sur la première tige (2), la première tige étant séparée du pli. Figure 1.

Description

Dispositif membranaire DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente demande concerne le domaine général des membranes souples, généralement poreuses, semi-perméables au sens de fortement perméables à une phase vapeur d’un élément naturel comme l’eau et faiblement perméables à une phase liquide de ce même élément, plus ou moins piégée dans les pores et qui sont utilisées dans les échangeurs de chaleur et de matière ou échangeurs membranaires industriels.

Plus particulièrement, la présente demande concerne les échangeurs membranaires utilisant une buse, séparée de condenseurs de phase vapeur par un couple de membranes qui ne doivent pas entrer en contact ni entre elles ni avec les condenseurs et doivent essentiellement rester plates, i.e. sans plis ou ondulations de surface ou sans contact avec d’autres éléments voisins dans les échangeurs membranaires auxquels elles appartiennent.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Pour éviter les déformations d’une membrane dans un échangeur membranaire industriel utilisant une membrane semi-perméable, on monte classiquement cette membrane sur un cadre à quatre côtés, considérés nécessaires mécaniquement, et on la tend sur ce cadre.

La membrane est tendue de façon à être exempte de plis de surface et à compenser des déformations causées par des variations de température de la membrane et de pression de part et d’autre de la membrane, en évitant que la membrane ne se détende et pollue par contact un distillat purifié. En effet, par exemple, une membrane poreuse au contact d’un distillat, qui contient dans ses pores du rétentat éventuellement partiellement purifié ou perméat et qui vient en contact avec un distillat présent sur un condenseur ou condensat, pollue le distillat par le contenu des pores.

Une membrane adaptée à un échangeur membranaire doit ainsi être exempte de plis de surface ou plis ou ondulations en toute circonstance, pour garantir une production de liquide ultrapur et elle doit finalement être suffisamment bien tendue, i.e. tendue à plat, pour ne pas se déformer assez pour toucher les éléments de l’échangeur qui lui sont adjacents.

Ce problème de pollution est inhérent à l’utilisation de membranes souples donc minces, car elles sont aussi de là, déformables en l’absence de tension ou lorsqu’elles sont mal tendues ou détendues.

Plus le nombre de membranes sur un cadre est élevé, plus le problème est accentué. Pour deux membranes à conserver plates et parallèles, on pourra ainsi soit tendre les membranes de chaque côté du cadre soit empiler deux cadres l’un sur l’autre avec chacun une seule membrane sans diminuer les risques de plis sur les membranes et les risques de pollution associés.

De plus, pour des échangeurs industriels comprenant éventuellement de nombreuses pièces en plastique notamment les cadres, ceux-ci sont plus facilement déformables notamment lors de variations de température et la mise sous tension de membranes sans déformation de ces cadres est un problème difficile.

Ce problème est rendu encore plus aigu dans l’art antérieur en présence de la nécessité d’augmenter les dimensions des membranes aux fins d’augmenter le rendement des échangeurs via une augmentation de la surface d’échange. Pour des membranes de grande dimension, typiquement supérieures à un mètre de hauteur, le risque que des plis de surface apparaissent en fonctionnement sur les membranes en les rendant impropres à une utilisation pour la production de liquides ultrapurs est très important.

Par ailleurs il n’est pas non plus possible d’augmenter indéfiniment la tension sur les membranes, sans risquer de les déchirer ou de les fatiguer en réduisant leur durée de vie.

En conséquence, dans l’art antérieur, des cadres de plus d’un mètre de longueur semblent techniquement inenvisageables dans un échangeur membranaire alors qu’ils sont souhaitables pour augmenter les performances d’un tel échangeur dans la production d’une phase liquide ultrapure à partir d’une phase liquide naturelle comme une eau de mer.

Un aspect de l’invention concerne un dispositif membranaire comprenant une première tige et une bande réalisée dans une matière semi-perméable à une phase liquide d’un fluide et perméable à une phase vapeur du fluide, dans lequel la bande s’étend en largeur entre un premier bord et un second bord, dans lequel la bande est repliée sur elle-même le long d’un pli séparant la bande en un premier rabat et un second rabat, dans lequel la première tige est disposée entre le premier rabat et le second rabat, dans lequel le premier rabat est fixé à plat sur la première tige et dans lequel le second rabat est fixé à plat sur la première tige, la première tige étant séparée du pli.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le pli est parallèle à la première tige.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le pli est perpendiculaire au premier bord.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le fluide est une eau de mer.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la première tige est en forme de parallélépipède s’étendant en épaisseur entre une première face fixée au premier rabat et une seconde face fixée au second rabat.

Un autre aspect de l’invention concerne un échangeur membranaire comprenant au moins un dispositif membranaire comme défini ci-dessus.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’échangeur membranaire est un dispositif pour purifier un fluide en phase liquide comprenant :

- une buse pour distribuer ledit fluide sous forme de gouttes dans une atmosphère ;

- une paroi d’un condenseur ; et

un dispositif membranaire comme défini précédemment, dans lequel la buse est située entre les deux rabats du dispositif membranaire ;

dans lequel la paroi du condenseur et un rabat parmi le premier rabat et le deuxième rabat de du dispositif membranaire délimitent un premier espace, le premier rabat et le deuxième rabat du dispositif membranaire délimitent un espace comprenant la buse, et dans lequel le condenseur comprend un circuit de circulation d’un fluide réfrigérant, la paroi du condenseur séparant le circuit de circulation du fluide réfrigérant et ledit premier espace, la paroi du condenseur étant imperméable au fluide en phase liquide et en phase gazeuse et étant configurée pour condenser le fluide en phase gazeuse passé à travers un rabat du dispositif membranaire en une phase liquide de fluide purifié.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la tige est appelée première tige, l’échangeur membranaire comprenant en outre une deuxième tige positionnée au niveau du pli du dispositif membranaire et un système de tension relié à la deuxième tige, le système de tension étant configuré pour appliquer une tension au niveau du pli dans une direction opposée par rapport à la première tige.

Un autre aspect de l’invention concerne un procédé d’obtention d’un dispositif membranaire comme défini précédemment, comprenant :

- replier la bande de membrane sur elle-même pour former le premier rabat, le pli et le second rabat ;

- insérer la tige entre le premier rabat et le second rabat ;

- fixer le premier rabat à plat sur la tige ; et

- fixer le second rabat à plat sur la tige.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la tige est parallèle au pli.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le premier bord est parallèle au second bord et la membrane est repliée sur elle-même en superposant le premier bord sur lui-même et en superposant le second bord sur lui-même pour obtenir un pli perpendiculaire au premier bord.

Un autre aspect de l’invention concerne un procédé d’utilisation d’un dispositif membranaire comme défini précédemment, dans lequel la tige est appelée première tige, le procédé comprenant :

- insérer une deuxième tige entre le pli et la première tige ;

- appuyer la deuxième tige contre le pli pour tendre à plat la membrane et obtenir un premier rabat parallèle au second rabat.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

LaFIG. 1décrit une membrane en forme de bande à bords parallèles, repliée sur elle-même selon un pli séparant un premier rabat et un second rabat sur la membrane de part et d’autre du pli, une première tige est insérée entre les rabats et les rabats sont fixés à plat, i.e. sans plis de surface sur cette première tige qui est rectiligne ou droite ou s’étend en longueur selon une droite.

LaFIG. 2montre le montage des deux rabats montés sur une première et une deuxième tige, à l’intérieur d’un échangeur membranaire. Les deux rabats sont initialement pliés sans forme particulière puis on insère l’une des tiges entre le condenseurs puis on les immobilise dans un plan au moyen de ressorts.

LaFIG. 3montre le calage en dehors de leur plan de rabats tendus grâce à l’invention et qui sont maintenus en place dans un échangeur par un peigne calant les différents éléments de l’échangeur (membrane et condenseurs) en position relative.

LaFIG. 4représente un dispositif de purification d’un fluide selon un mode de réalisation de l’invention

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Un aspect de l’invention concerne un dispositif membranaire destiné à être utilisé dans un système membranaire (appelé aussi « échangeur membranaire »), tel qu’un échangeur de chaleur ou un système de purification d’un fluide ou tout autre système utilisant une deux membranes positionnées en regard l’une de l’autre chaque membrane étant perméable à un fluide en phase gazeuse et imperméable (ou semi-perméable) au fluide en phase liquide. Le dispositif membranaire selon la présente invention peut être utilisé pour remplacer un couple de membranes classiques de tels systèmes. En particulier, le dispositif membranaire selon l’invention peut être utilisé pour un système de purification d’un fluide, par exemple de l’eau de mer, tel que représenté à laFIG. 4.

Un dispositif membranaire selon un mode de réalisation est détaillé en référence à laFIG. 1. Ce dispositif membranaire 50 est réalisé à partir d’une bande de membrane de purification d’un fluide ou tout autre dispositif utilisant une membrane perméable à un fluide en phase gazeuse (c’est-à-dire qu’elle est perméable à la vapeur de ce fluide) et semi-perméable au fluide en phase liquide.

Il est entendu que le terme « semi-perméable au fluide en phase liquide » correspond, dans le contexte de l’invention, à une propriété de la membrane selon laquelle des gouttes de liquide ne passent pas à travers la membrane lorsque ces gouttes entrent en contact avec la membrane lorsque celle-ci est disposée de manière sensiblement perpendiculaire par rapport au sol. Toutefois, la membrane peut devenir perméable au liquide lorsqu’elle est soumise à une pression de liquide importante (envoi d’un jet de liquide contre la membrane par exemple), Par exemple, une membrane non absorbante pour les gouttes de liquide, une membrane dans un matériau déperlant ou recouverte d’une matière déperlante, qui ne laissent pas traverser les gouttes de liquide, entrent dans le cadre de la présente invention.

La bande de membrane peut être obtenue en découpant une longueur d’un rouleau de la membrane. Cette bande de membrane peut ainsi comprendre deux bords parallèles de la membrane. La bande parallèle est ensuite, repliée sur elle-même (par exemple en rabattant chaque bord sur lui-même) de manière à former un premier rabat 1 et un second rabat 4 séparés par un pli 3.

On introduit entre les deux rabats 1,4, une tige 2 rectiligne. Par tige, il est entendu n’importe quel élément ayant une dimension, selon une direction principale, nettement supérieure (par exemple, au moins 10 fois supérieure) à ses dimensions dans les autres directions. Par « rectiligne », il est entendu que la tige a, selon sa direction principale, une forme droite. Par exemple, la tige 2 peut être disposées entre les deux rabats de sorte que sa direction principale est sensiblement perpendiculaire aux bords de la bande de membrane. Par « sensiblement perpendiculaire », il est entendu que l’angle formé entre les bords et la direction principale est entre 80° et 100°. Dans des modes de réalisation, la tige peut être en matériau suffisamment rigide pour ne pas se déformer (en particulier se plier ou se courber) lorsqu’une force est appliquée au niveau du pli 3 pour tendre les deux rabats du dispositif membranaire 50. Par exemple, la tige peut être une plaque parallélépipédique de plastique.

Dans des modes de réalisation, la tige a avantageusement une épaisseur e comprise entre 5 et 20 mm (cf.FIG. 1).

La tige 2 est avantageusement positionnée à distance du pli 3, les bords (rabattus), la tige 2 et le pli 3 formant un espace sensiblement rectangulaire qui définit une zone de membrane (ou « zone d’échange », i.e. une zone dans laquelle peut s’effectuer des échanges lorsque le dispositif membranaire 50 est utilisé dans un système d’échange membranaire).

Une fois positionnée entre les deux rabats 1,4, la tige 2 est collée au premier rabat 1 de façon que ce premier rabat 1 soit collé sans plis de surface par rapport à la tige (c’est-à-dire qu’il n’y a pas de plis le long du collage). La tige est également collée au second rabat 4 de la même manière. Par exemple, la tige peut être collée au premier rabat 1 et au deuxième rabat 4 « à plat », c’est-à-dire en plaçant la bande de membrane et la tige 2 sur une surface plane et sensiblement parallèle au sol, de sorte à minimiser les plis de collage. Toute autre fixation qu’un collage est utilisable pour l’invention.

On obtient ainsi un dispositif membranaire 50 à bords parallèles comprenant deux rabats (donc deux volets de membrane) fixés à la tige 2.

Comme mentionné précédemment, le dispositif membranaire 50 selon l’invention peut être utilisé dans un système membranaire, tel qu’un échangeur de chaleur et/ou de matière, pour remplacer deux membranes « simples » (c’est-à-dire constituées chacune d’un seul volet) positionnées en regard l’une de l’autre, par exemple positionnée entre deux condenseurs. Dans de tels systèmes, il peut être compliqué d’obtenir une membrane suffisamment tendue, qui ne présente pas d’ondulation ou de pli ou de vague sur sa surface. Ce problème peut être surmonté grâce à l’élément membrane de l’invention.

En effet, le dispositif membranaire 50 de l’invention peut être utilisé pour remplacer deux membranes du système, et une deuxième tige peut être insérée au niveau du pli pour « tendre » les deux rabats 1, 4 du dispositif membranaire 50, de sorte à retirer au maximum les plis et les ondulations des rabats du dispositif membranaire 50 et à former deux feuilles de membranes sensiblement parallèles positionnées l’une en regard de l’autre.

Le dispositif membranaire peut, par exemple, être inséré entre deux condenseurs, de sorte à traverser la zone des condenseurs.

Puis une deuxième tige peut être insérée entre les rabats du dispositif membranaire au niveau du pli. Selon les modes de réalisation, une contrainte peut être appliquée sur la deuxième tige, vers l’extérieur (i.e. dans une direction opposée à la première tige 2, selon une direction perpendiculaire au pli 3). Dans d’autres modes de réalisation, des contraintes en tension égales et opposées peuvent être appliquées sur les deux tiges pour tendre les deux rabats du dispositif membranaire.

La deuxième tige est une tige rectiligne, qui peut être identique ou non à la première tige. La deuxième tige peut avoir la même épaisseur que la première tige, pour maintenir les deux rabats parallèles ou sensiblement parallèles.

La forme du pli étant matérialisée par la deuxième tige, le réglage du pli sera équivalent à celui de cette deuxième tige appuyée sur le pli, dès que la deuxième tige mettra en tension les rabats du dispositif membranaire.

Cette remarque peut être utilisée dans un mode de réalisation du réglage du pli, au montage du dispositif membranaire sur cette première tige. Dans cette méthode préférée, une deuxième tige de même épaisseur que la première tige est introduite entre les rabats, est immobilisée et sert de référence mécanique, en appuyant le pli sur cette deuxième tige. Le premier rabat est alors fixé à plat sur la première tige sans tension du dispositif membranaire et on applique une tension sur la membrane, ce qui l’applique sur la deuxième tige. Puis on élimine tous les plis sur le dispositif membranaire par des réglages et on fixe ensuite le deuxième rabat qui est alors nécessairement fixé à plat et sans plis de surface sur la tige puisque le dispositif membranaire est totalement exempt de plis partout sur sa surface. La tension appliquée peut être choisie comme la tension minimum permettant une absence de pli sur la membrane, compte tenu des réglages choisis.

Pour appliquer les contraintes égales et opposées ou symétriques dans le plan des rabats, mentionnées ci-dessus, il est possible d’utiliser des ressorts disposés entre un cadre plus rigide que les tiges présentes et ces tiges. Avantageusement, ces ressorts peuvent être réglables pour maintenir la tension des rabats.

Pour appliquer ces contraintes égales et opposées ou symétriques en dehors du plan de la membrane, il est possible d’utiliser des cales qui peuvent avoir la forme de peignes pouvant accueillir les tiges pour les immobiliser dans une direction perpendiculaire aux rabats, comme représenté sur laFIG. 3décrite en détail ci-après.

L’invention est susceptible d’application industrielle dans les échangeurs de chaleur et de matière de grande dimension nécessitant plusieurs membranes souples semi-perméables devant rester parallèles entre elles.

L’invention est particulièrement adaptée à la réalisation d’un échangeur membranaire compact léger et de grande dimension pour chaque membrane ainsi qu’utilisant plusieurs membranes pour la production industrielle de liquides ultrapurs.

Dans toute la demande on entend par pli ou pliure une zone de déformation d’une surface résultat d’un pliage de la surface.

Dans toute la demande on entend qu’un pli séparant deux rabats est parallèle à un élément rectiligne comme une tige si la ligne la plus éloignée de la tige tracée sur le pli est parallèle à l’élément rectiligne, le pli se réduisant physiquement à cette ligne ou axe de pliage lorsque l’on applique symétriquement des efforts comme un pincement sur les rabats pour les rapprocher et les mettre en contact. Par « parallèle », il est toujours entendu « sensiblement parallèle », c’est-à-dire que quelques degrés d’écart entre les directions (par exemple moins de 5° ou moins de 10°) sont tolérés.

De façon équivalente, on entend qu’un élément rectiligne en longueur épousant la forme de la pliure, en contact mécanique avec celle-ci, matérialise une direction parallèle au pli rectiligne et que cette direction tend vers le pli rectiligne lorsque la section de l’élément rectiligne perpendiculairement à sa longueur décroit.

Il est noté que le pliage d’une membrane en marquant son pli constitue aussi un moyen de matérialiser un pli rectiligne mais avec un risque de fragiliser la bande de membrane au niveau du pli. L’appui d’une deuxième tige sur la zone de pliure permet d’orienter le pli par rapport à la première tige, sans fragiliser la bande de membrane au niveau du pli.

Il est entendu que tout moyen de fixation d’une tige sur la membrane autre qu’un collage comme un vissage est utilisable pour la présente demande.

Un aspect de l’invention concerne un système pour purifier un fluide en phase liquide tel que celui représenté sur laFIG. 4.

Le système de laFIG. 4comprend une pluralité de dispositifs membranaires 50 perméables au fluide en phase gazeuse, et semi-perméables au fluide en phase liquide. Plus précisément, les dispositifs membranaires 50 sont imperméables au fluide en phase liquide, lorsque celui-ci est, par exemple, projeté contre les dispositifs membranaires 50 sous forme de gouttes, le but étant que, dans le contexte de l’invention, seules des particules gazeuses du liquide puissent passer à travers les dispositifs membranaires 50. Les dispositifs membranaires 50 sont par exemple des dispositifs membranaires similaires à ceux de laFIG. 1.

Le système comprend aussi une pluralité de condenseurs (ou de pièges froids) 90. Par « condenseur », il est entendu un dispositif configuré pour condenser (ou liquéfier) de la vapeur. Par exemple, chaque condenseur peut être un condenseur plan comprenant deux parois 90a, 90b entre lesquelles se trouve un circuit de circulation d’un fluide réfrigérant. Les parois 90a, 90b du condenseur 90 sont avantageusement imperméables aux fluides (en phase liquide comme en phase gazeuse).

Le système comprend en outre des buses 30 pour distribuer un fluide sous forme de gouttelettes entre les deux rabats 1,4 des dispositifs membranaires 50. Ainsi, chaque dispositif membranaire 50 reçoit, entre ses deux rabats 1,4, des gouttelettes distribuées par une buse respective.

Les rabats 1, 4 des dispositifs membranaires 50 ne laissent pas traverser des gouttes du liquide distribué par les buses 30. Par exemple, les dispositifs membranaires 50 peuvent être imperméables aux gouttes de liquide. Les dispositifs membranaires 50 peuvent être, par exemple, faits à partir de membranes dans un ou plusieurs des matériaux suivants : le téflon ou PTFE, le Fluorure de PolyVinyliDiène ou PVDF, le PolyPropylène ou PP et le PolyEthylène ou PE. L’épaisseur des pores des dispositifs membranaires 50 peut être déterminée par des essais de routine par un homme du métier, et notamment des tailles de pores allant de 60 micromètres à 60 nanomètres peuvent être utilisées. Dans certains modes de réalisation, les dispositifs membranaires 50 peuvent être composés d’un tissu recouvert d’un traitement pour le rendre imperméable.

Le matériau utilisé pour réaliser une paroi d’un condenseur ou d’un piège froid peut être un métal ou un matériau conducteur pour la chaleur. L’acier inoxydable par exemple, ou un plastique, peuvent être utilisés, notamment si le liquide froid qui circule dans le condenseur est de l’eau salée ou corrosive.

En faisant à nouveau référence à laFIG. 4, des dispositifs membranaires 50 et des condenseurs 90 sont disposés de manière alternée, de sorte qu’exactement un dispositif membranaire 50 est disposé entre deux condenseurs 90.

Un dispositif membranaire 50 disposé entre deux condenseurs 90 consécutifs délimite un espace 40 entre ses deux rabats 1,4, cet espace étant surplombé d’une buse 30 configurée pour distribuer un fluide en phase liquide sous forme de gouttes ou de gouttelettes. Cet espace constitue un « premier canal fluidique » 40 dans lequel circule le fluide distribué par la buse 30. Par « canal fluidique », il est entendu un volume dans lequel un fluide peut s’écouler ou circuler, en phase liquide ou gazeuse. Un canal fluidique peut avantageusement être délimité par deux séparateurs (par exemple des rabats d’un dispositif membranaire 50 et/ou des parois de condenseurs 90), ce qui permet de maximiser les surfaces d’échanges thermiques ou des échanges de matière, comme pour la traversée de vapeur.

L’espace 130 entre un condenseur 90 et le rabat du dispositif membranaire 50 le plus proche du condenseur 90 est appelé « deuxième canal fluidique » 130. Chaque deuxième canal fluidique 130 peut comprendre une gouttière 110 ou tout autre moyen de récupération d’un liquide formé par condensation sur le condenseur 90. La gouttière 110 peut être reliée à un collecteur d’eau purifiée ou pure 120.

Ainsi, sur laFIG. 4, le canal 40 et le condenseur 90 sont séparés par une petite cuve ou gouttière 110 permettant de collecter des gouttes d’eau en eau liquide depuis la surface de la paroi 90a, 90b du condenseur 90. Le premier canal 40, la buse 30, la gouttière 110 et le condenseur 90 forment un motif périodique répété sur laFIG. 4, entre un distributeur d’eau chaude 20 et un collecteur d’eau chaude 60 reliés via le canal 40 contenant la buse 30 et entre un distributeur d’eau froide 80 et un collecteur d’eau froide 100 reliés via le condenseur 90.

Un aspect de l’invention peut être mis en œuvre dès lors que le dispositif comprend une buse 30, un dispositif membranaire 50 et un condenseur 90, le dispositif membranaire 50 étant situé entre la buse 30 et le condenseur 90. Ainsi, l’invention n’est pas limitée à une pluralité de buses 30, de condenseurs 90 et de dispositifs membranaires 50. Lorsque le dispositif comprend une pluralité de ces éléments, le volume de liquide purifié collecté est plus important, puisque du liquide purifié peut être collecté en parallèle dans plusieurs canaux bordés chacun par un dispositif membranaire 50 et une paroi 90a, 90b de condenseur 90, par exemple via plusieurs gouttières comme la gouttière 110.

LaFIG. 4montre ainsi une alimentation d’eau chaude 10 reliée, au sens fluidique, via un distributeur d’eau chaude 20 à la buse 30 disposée intérieurement à la membrane du canal 40 ainsi qu’un collecteur d’eau chaude 60 prolongeant le canal 40.

LaFIG. 4montre aussi une alimentation d’eau froide 70 reliée au condenseur 90 via un distributeur d’eau froide 80 qui est relié, au sens fluidique, à un collecteur d’eau froide 100 via le condenseur 90.

Sur laFIG. 4, les dispositifs membranaires 50 et les parois 90a, 90b des condenseurs 90 sont des surfaces verticales et parallèles. Il est entendu que le degré de parallélisme de ces éléments peut, sans sortir de l’enseignement de la présente demande, être imparfait. En particulier, il importe surtout qu’un fluide en phase vapeur puisse atteindre une paroi du condenseur 90 via le canal 40. La verticalité des dispositifs membranaires 50 et des parois 90a, 90b des condenseurs 90 sont donc à entendre dans la présente demande comme une caractéristique permettant de maximiser la conversion de vapeur en liquide, entre l’intérieur du dispositif membranaire 50 du premier canal 40 et la surface de la paroi 90a, 90b du condenseur 90, tout en facilitant la collecte des condensats par la gouttière et minimisant l’encombrement de l’ensemble du dispositif. De ce point de vue, la caractéristique « verticale », au sens géométrique, peut être entendue au sens de la présente invention et dans tous ses modes de réalisation comme formant un angle par exemple compris entre 70° et 110° par rapport au sol.

Selon un aspect de l’invention, un liquide chaud non purifié (le liquide peut être un mélange par exemple d’eau et de minéraux ou d’eau et de sel ou de solutés) est introduit par une alimentation 10, puis distribué par un distributeur de liquide chaud 20 à des buses 30 qui le dispersent verticalement sous forme de gouttes à l'intérieur des canaux 40. Par exemple, le liquide chaud non purifié peut être de l’eau issue d’une réserve d’eau, par exemple une mer ou un lac ou une réserve d’eaux usées, éventuellement chauffée à une première température dite « chaude ».

Un deuxième liquide, appelé liquide réfrigérant, qui est plus froid que le liquide chaud, est introduit par une alimentation 70, puis distribué par un distributeur de liquide froid 80 qui le distribue dans les condenseurs 90 disposés en parallèle sur laFIG. 4.

Par « liquide chaud », on entend un liquide ayant une température plus élevée que la température maximale du liquide réfrigérant circulant dans le condenseur 90. Par exemple, la différence entre la température le liquide chaud (lorsqu’il est distribué sous forme de gouttes par les buses 30) et la température maximale du liquide réfrigérant circulant dans le condenseur 90 peut être supérieure à 30°C. Par exemple, le liquide chaud peut être distribué sous forme de gouttes à une température comprise entre 60°C et 90°C, et le liquide réfrigérant peut avoir une température comprise entre 10°C et 30°C. Bien entendu, les températures précédentes sont fournies à titre d’exemple et d’autres températures ou écarts de température peuvent être utilisés.

Après avoir été distribué sous forme de gouttes par la buse 30, le liquide non purifié et chaud circule dans le canal 40 délimité par deux rabats 1, 4 d’un dispositif membranaire 50, et une partie de ce liquide non purifié et chaud passe, sous forme de vapeur de fluide purifié, à travers les rabats du dispositif membranaire 50. Par exemple, si le liquide non purifié et chaud est de l’eau salée, une partie de ce liquide passe sous forme de vapeur d’eau pure et traverse les rabats du dispositif membranaire 50. Il reste alors dans le canal 40 délimité par les deux dispositifs membranaires 50 du liquide encore moins purifié (i.e. plus concentré pour au moins l’un de ses composants, par exemple de l’eau encore plus chargée en sel, puisqu’une partie d’eau pure s’est évaporée) et plus froid qu’à la sortie de la buse 30. Ce liquide plus salé et moins chaud qu’en sortie de buse peut être ensuite récupéré dans un collecteur 60.

En effet, le rôle du dispositif membranaire 50 est d’empêcher le liquide distribué sous forme de gouttes dans le canal 40 de passer partiellement ou totalement dans la zone 130 délimitée par un condenseur 90 et un rabat d’un dispositif membranaire 50. Seule de la vapeur du liquide peut traverser, évitant ainsi tout contact entre le liquide chaud présent dans le canal 40 et les condensats de la vapeur formés dans la zone 130 sur la paroi du condenseur 90. Lorsqu'une différence de température est créée entre les deux côtés du dispositif membranaire 50, une différence de pression partielle de vapeur apparaît, constituant le moteur du processus. Ceci provoque l'évaporation de liquide de la surface du liquide du côté chaud, générant de la vapeur qui passe à travers le dispositif membranaire 50 et se condense du côté le plus froid où se situe le condenseur 90.

L’espace entre un condenseur 90 et un rabat du dispositif membranaire 50 forme un canal dans lequel la vapeur du liquide chaud issu de la buse 30 et ayant traversé le rabat du dispositif membranaire 50 se diffuse. Le rôle des condenseurs 90 est de condenser cette vapeur sur l’une de ses parois 90a, 90b pour former du liquide purifié. Ce liquide purifié est plus froid que la vapeur dont il est issu, tandis qu’à l’inverse, le liquide réfrigérant s’échauffe au contact – via la paroi 90a, 90b du condenseur 90 – de la vapeur plus chaude.

Le liquide réfrigérant peut être collecté en sortie du circuit de circulation du condenseur 90 dans un collecteur de liquide froid 100, à une température supérieure à celle qu’il avait en entrée du circuit de circulation du condenseur 90.

Le condensat (l’eau purifiée par exemple) glisse le long de la paroi du condenseur 90 et peut être collectée dans la gouttière 110 placée par exemple sur la paroi (plusieurs gouttières dans le sens de la hauteur du condenseur 90 peuvent être également prévues). Le condensat peut ensuite être transporté latéralement pour être collecté dans un bac ou collecteur d’eau pure 120.

Selon des modes alternatifs, la gouttière ou les gouttières 110 peuvent être soit rapportées aux condenseurs par la fixation mécanique de la matière composant cette gouttière ou ces gouttières, soit délimitées par la forme extérieure du ou des condenseurs par moulage, c’est-à-dire délimitées par la paroi d’un condenseur, i.e. par la forme de sa surface extérieure sur laquelle est obtenue la condensation.

Il est noté que dans l’exemple de laFIG. 4, les éléments du dispositif sont disposés selon l’ordre suivant, selon une direction parallèle aux dispositifs membranaires 50 et orientée depuis le collecteur d’eau froide 100 et le distributeur de liquide réfrigérant 80 : le collecteur d’eau froide 100, le distributeur d’eau chaude 20, le collecteur d’eau chaude 60 et le distributeur de liquide réfrigérant 80. Une telle disposition permet une circulation des liquides dans le canal 40 et le circuit de circulation du fluide réfrigérant dans le condenseur 90 en sens inverse ou à contre-courant. Une telle circulation à contre-courant permet avantageusement un échange particulièrement efficace de la chaleur entre les gouttes chaudes produites par la buse 30 et le liquide froid via le dispositif membranaire 50 et la paroi 90a, 90b du condenseur 90.

D’autres configurations sont possibles, et selon un mode de réalisation alternatif de l’invention, les éléments du dispositif peuvent être disposés selon l’ordre suivant, selon la direction parallèle aux dispositifs membranaires 50 et orientée depuis le collecteur d’eau froide 100 et le distributeur de liquide réfrigérant 80 : le collecteur d’eau froide 100, le collecteur d’eau chaude 60, le distributeur d’eau chaude 20 et le distributeur de liquide réfrigérant 80. Dans ce cas, la circulation des liquides dans le canal 40 et le circuit de circulation du fluide réfrigérant dans le condenseur 90 est effectuée dans le même sens, et l’invention est toujours fonctionnelle, même si les échanges de chaleurs sont moins efficaces que dans les modes de réalisation où la circulation des liquides se fait en sens inverse.

Comme mentionné ci-dessus, l’invention peut être mise en œuvre au moyen d’une alimentation 10 en eau chaude ou en fluide chaud à une première température, distribué sous forme de gouttes par une buse 30 et créant une vapeur du fluide (purifié) et des gouttes du fluide (encore moins pur que le fluide chaud distribué par la buse 30), la vapeur du fluide traversant le dispositif membranaire 50 perméable à la vapeur et imperméable aux gouttes, pour atteindre une paroi 90a, 90b imperméable au fluide, la paroi 90a, 90b étant alimentée par un fluide réfrigérant via une alimentation d’eau froide 70, le fluide réfrigérant étant injecté entre les parois du condenseur 90 à une deuxième température inférieure à la première température. Ainsi, il se produit une condensation du fluide en gouttes d’eau purifiée sur une surface de la paroi 90a, 90b, au contact de laquelle s’écoule une eau froide ou un fluide froid purifié à une température plus faible que la première température.

L’invention peut être utilisée, par exemple, pour des échangeurs membranaires utilisant deux membranes semi-perméables parallèles les unes des autres, en regard desquelles une buse émet des gouttes d’un liquide dans de l’air à pression atmosphérique, chaque membrane étant de plus en regard d’un condenseur de vapeur séparé de chaque membrane par de l’air à la même pression atmosphérique. Il est alors possible de remplacer les membranes d’un tel échangeur par des dispositifs membranaires selon l’invention.

Pour une telle application, une tension minimum permettant de compenser les déformations mécaniques ou les variations de rigidité dues aux écarts de température des membranes ou de la structure des échangeurs est suffisante pour assurer l’absence de plis de surface sur les membranes et une absence de contact des membranes entre elles ou avec un condenseur ou paroi froide.

Dans d’autres configurations d’échangeurs membranaires dans lesquelles les membranes sont soumises à une pression hydraulique imposée par une pompe d’un côté et à une pression atmosphérique de l’autre, une partie de la surtension applicable à la membrane via les dispositifs de l’invention pour la conserver à plat peut être utilisée aussi pour compenser les déformations des membranes causées par la différence de pression de part de d’autre de la membrane, afin d’empêcher le contact entre les membranes ou entre les membranes et d’autres éléments comme un condenseur ou paroi froide.

Dans tous les cas d’utilisation de l’invention au sein d’un échangeur membranaire, l’invention permet d’atteindre, par réglage au montage de l’échangeur, une configuration du dispositif membranaire dans laquelle tous les rabats sont tendus sans pli de surface et sont donc à plat, comme lors du montage du dispositif membranaire.

Avantageusement, la première tige et le pli peuvent s’étendre selon des directions parallèles, pour permettre des réglages simplifiés pour supprimer les plis sur les rabats du dispositif membranaire au montage de celui-ci.

Avantageusement, la première tige ou le pli peuvent s’étendre selon des directions perpendiculaires aux bords de la bande à bords parallèles utilisée pour former le dispositif membranaire, pour simplifier les réglages.

Le dessalement d’eau de mer avec des membranes de grandes dimensions ou la purification de tout liquide avec un rapport rendement sur encombrement maximum est permis pour des échangeurs membranaires utilisant l’invention.

Par ailleurs, le démontage de membranes déchirées ou usées est rendu possible par l’invention en effectuant les opérations inverses de celles effectuées pour le montage dans un échangeur, ce qui facilite une maintenance d’échangeurs utilisant l’invention.

De nombreux modes de réalisation utilisant des tiges rectilignes d’une section donnée quelconque invariante le long d’un axe ou utilisant des différents matériaux de rigidité variable sont envisageables pour l’invention sans sortir de son enseignement.

L’invention est particulièrement adaptée à la réalisation d’échangeurs utilisant des membranes de plus grande dimension supérieure à un mètre comme par exemple deux mètres et leur assurer un fonctionnement avec des membranes à plat en toute circonstance prévue dans une spécification.

Dans tous les modes de réalisation de l’invention, des tiges en matière plastique sont utilisables pour minimiser le poids du dispositif membranaire.

L’invention permet ainsi d’obtenir aisément une surface membranaire tendue et ne présentant pas de pli on d’ondulation, et permet également d’obtenir une pluralité de surfaces membranaires disposées en regard l’une de l’autre et sans aucun pli de surface sur l’une ou l’autre de ces surfaces.

Dans certains modes de réalisation, la première tige peut être dans un matériau déformable. En effet, le réglage du pli et de la première tige dans sa forme au montage assure que la remise dans la même forme de cette première tige et du pli dans un environnement industriel permettra d’obtenir ce résultat. Par exemple, l’insertion d’une deuxième tige, même déformable, entre la première tige et le pli, au contact du pli et l’application de premiers moyens de réglage mécanique de la forme de la première tige et de seconds moyens de réglage de la forme de la deuxième tige par rapport à la première tige ou à une référence commune avec la première tige, pourront être mises en œuvre pour obtenir le résultat de l’invention.

On observe que l’élément selon l’invention peut être inséré entre deux condenseurs d’un échangeur membranaire, en glissant la membrane entre les condenseurs sans faire passer la première tige entre les condenseurs, ce qui facilite et sécurise le montage et le démontage éventuel de l’élément selon l’invention dans l’échangeur membranaire.

Toute membrane, en particulier souple, possédant les propriétés requises de perméabilité et semi-perméabilité peut être utilisée pour obtenir un dispositif membranaire selon l’invention. En fonction de la rigidité de la membrane, l’épaisseur entre les rabats à la pliure pourra varier sans être réduite à un axe de pliage, le pli sera alors pris, aux fins des réglages de la tige, comme la ligne tracée sur la pliure qui est la plus éloignée des rabats.

La présence de l’invention pourra être établie dans un élément comprenant une première tige reliée de part et d’autre à une bande, bannière ou banderole d’une membrane semi-perméable, repliée sur elle-même le long d’un pli et comprenant un espace libre entre le pli et la première tige, en positionnant cette première tige puis en introduisant une deuxième tige, par exemple identique à la première tige, dans l’espace libre entre la première tige et le pli et en vérifiant que la surface de la membrane est exempte de plis partout en présence de cette deuxième tige.

Le principe de l’invention est particulièrement applicable dans les échangeurs membranaires où le fluide chaud est pulvérisé par une buse en plusieurs gouttes favorisant l’évaporation d’une vapeur du liquide chaud. Cette vapeur traversant la membrane se condense sur la paroi d’un condenseur. Le rendement d'un échangeur membranaire est maximisé par la proximité entre les condenseurs et les membranes et les grandes dimensions de la membrane.

Cette proximité/densité complexifie la mise en place d'un cadre de grandes dimensions, de faible épaisseur, dont les membranes doivent être tendues et sans risque de contact entre elles ou avec les condenseurs.

L'invention permet la réalisation d’un échangeur membranaire sans risque de plis et de contact de la membrane par les étapes suivantes :

- Insérer le dispositif membranaire entre deux condenseurs de l’échangeur membranaire ;

- Faire traverser la 1ère tige de part et d'autre d’un cadre de l’échangeur membranaire ;

- Positionner la deuxième tige sur la première extrémité du cadre en la fixant ;

- Positionner la 1ère tige sur la deuxième extrémité du cadre ;

- Tendre les rabats en éloignant la première et la deuxième tige l’une de l’autre pour retrouver la forme initiale du dispositif membranaire lors de son assemblage (i.e. dans laquelle les deux rabats sont tendus à plat, sans pli ni ondulation). Cette tension peut être réalisée sur plusieurs point dans le sens de la hauteur grâce à un système réglable. Le système réglable peut être un couple ressort/tige filetée qui permet un réglage en contrainte du ressort.

Par exemple, en référence à laFIG. 2, le dispositif membranaire est d’abord inséré dans un système membranaire, de sorte que la première tige 2 et la deuxième tige 22 sont rapprochées (a). Puis, la première tige 2 est éloignée de la deuxième tige 22 en dépliant les rabats 1, 4 du dispositif membranaire vers une deuxième position (b). Enfin, la première tige 2 et la deuxième tige 22 sont tirées par système de mise sous tension (ici, au moins un ressort 23) pour aboutir à une position à plat du dispositif membranaire (c).

La tension longitudinale est associée à une séparation physique latérale (sous forme de peigne) pour conserver les espacements géométriques prévus entre les condenseurs et les cadres.

Par exemple, en référence à laFIG. 3, un condenseur 31 et un cadre membranaire réceptionnant un dispositif membranaire 50 à plat dans un plan, sont maintenus à distance par un peigne 33 accueillant alternativement en les bloquant dans un plan perpendiculaire aux condenseurs et aux cadres membranaires, ces condenseurs et ces cadres.

Dans toute la demande, une bande d’une membrane semi-perméable adaptée à l’invention sera, de préférence, à bords parallèles pour faciliter son enroulement en rouleau, bien que l’invention s’applique aussi à une bande à bords non parallèles montée à plat sur une tige.

On entendra dans toute la demande que la phase liquide d'un élément naturel est synonyme de phase liquide d'un fluide.

On entend dans toute la demande que si une membrane semi-perméable comporte deux rabats séparés un pli, une fixation d’une tige sur un des rabats exclut que la tige soit en contact avec le pli, ces éléments étant distincts. Dans tous les modes de réalisation de l’invention, on laissera entre la tige et le pli une distance la plus grande possible pour permettre des échanges via la membrane semiperméable et à permettre à cette membrane de remplir sa fonction.

On entend dans toute la demande qu’une fixation à plat sur un élément matériel comme une tige d’une membrane semi-perméable signifie sans plis de surface pour la membrane ou avec une surface lisse de cette membrane.

Claims (10)

1. Dispositif membranaire comprenant une première tige (2) et une bande réalisée dans une matière semi-perméable à une phase liquide d’un fluide et perméable à une phase vapeur du fluide, dans lequel la bande s’étend en largeur entre un premier bord et un second bord, dans lequel la bande est repliée sur elle-même le long d’un pli (3) séparant la bande en un premier rabat (1) et un second rabat (4), dans lequel la première tige (2) est disposée entre le premier rabat (1) et le second rabat (4), dans lequel le premier rabat (1) est fixé à plat sur la première tige (2) et dans lequel le second rabat (4) est fixé à plat sur la première tige (2), la première tige étant séparée du pli.
2. Dispositif membranaire selon la revendication 1, dans lequel le pli (3) est parallèle à la première tige (2).
3. Dispositif membranaire selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le pli est perpendiculaire au premier bord.
4. Dispositif membranaire selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la première tige est en forme de parallélépipède s’étendant en épaisseur entre une première face fixée au premier rabat et une seconde face fixée au second rabat.
5. Echangeur membranaire comprenant au moins un dispositif membranaire selon l’une des revendications 1 à 4.
6. Echangeur membranaire selon la revendication précédente, dans lequel l’échangeur est un dispositif pour purifier un fluide en phase liquide comprenant :

   • une buse (30) pour distribuer ledit fluide sous forme de gouttes dans une atmosphère ;
   • une paroi (90a, 90b) d’un condenseur (90) ; et
   • un dispositif membranaire selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la buse (30) est située entre les deux rabats du dispositif membranaire ;

   dans lequel la paroi du condenseur (90) et un rabat parmi le premier rabat et le deuxième rabat du dispositif membranaire (50) délimitent un premier espace (130), le premier rabat et le deuxième rabat du dispositif membranaire délimitent un espace (40) comprenant la buse (30), et dans lequel le condenseur (90) comprend un circuit de circulation d’un fluide réfrigérant, la paroi du condenseur (90) séparant le circuit de circulation du fluide réfrigérant et ledit premier espace (130), la paroi du condenseur (90) étant imperméable au fluide en phase liquide et en phase gazeuse et étant configurée pour condenser le fluide en phase gazeuse passé à travers un rabat du dispositif membranaire en une phase liquide de fluide purifié.
7. Echangeur membranaire selon la revendication précédente, dans lequel la tige est appelée première tige, l’échangeur membranaire comprenant en outre une deuxième tige positionnée au niveau du pli du dispositif membranaire et un système de tension relié à la deuxième tige, le système de tension étant configuré pour appliquer une tension au niveau du pli dans une direction opposée par rapport à la première tige.
8. Procédé d’obtention d’un dispositif membranaire selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant :
   - replier la bande de membrane sur elle-même pour former le premier rabat, le pli et le second rabat ;
   - insérer la tige entre le premier rabat et le second rabat ;
   - fixer le premier rabat à plat sur la tige ; et
   - fixer le second rabat à plat sur la tige.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la tige est parallèle au pli.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le premier bord est parallèle au second bord et la membrane est repliée sur elle-même en superposant le premier bord sur lui-même et en superposant le second bord sur lui-même pour obtenir un pli perpendiculaire au premier bord.